科学家介绍纳米光子传感器的新应用

以马赫-曾德尔干涉仪为例，混合光子-微流控芯片的工作原理。斯科尔科沃科学技术研究所

来自Skoltech，HSE，MPGU和MISIS的联合研究小组开发了一种用于生化分析的紧凑型传感器，为“芯片实验室”的发展开辟了新的领域。以牛血清白蛋白膜为例，研究人员证明了芯片表面可以适用于多组分溶液的选择性分析。除了仅用3至5微升血液即可进行准确的血液测试外，该芯片还将帮助医生检测特定的疾病标志物。该研究发表在《分析化学》上。

“虽然只有五卢布硬币，但该芯片可以容纳数十个敏感设备和微流体通道。此外，您可以修改传感器的表面并创建芯片实验室原型，“MIEM HSE和MPGU教授，新技术的共同开发Grigory Goltsman指出。

几乎每次体检都从测试开始，常见的是显示血红蛋白、红细胞和血细胞水平等的血细胞计数。有时只需要一个组件来评估患者的病情。例如，您可能需要确定外泌体的数量 - 大量可能是癌症征兆的微观细胞外囊泡。

出于测试目的，实验室使用敏感的传感器，其表面覆盖有特殊涂层，仅与特定的外泌体结合，并从溶液中挑选出来进行分析。某些设备需要多步骤程序，包括涂覆和另一台仪器的质量检查。作者展示了一种通过使用片上传感器检查表面质量来简化测试的方法。

为此，他们在芯片衬底上涂上了薄蛋白膜，并进行了一系列实验。该芯片由三部分组成：携带物质的微流体通道、涂层下方的氮化硅衬底和用于测量物质光密度的光子集成电路（PIC）。微流体通道位于PIC器件的敏感部分上方。

在马赫-曾德尔干涉仪中，注入系统的光束被分成两部分，一部分直接进入包含该物质的微流体通道上方的上臂，另一部分进入下臂进行比较，不受任何影响。光密度的变化是从下臂和上臂之间的光程长度的差异中发现的。

在实验中，研究人员将蛋白质和单宁酸薄膜逐层沉积到PIC的敏感表面上。通过微流体通道泵送牛血清白蛋白后，他们用去离子水冲洗掉多余的白蛋白，泵入单宁酸，重新涂覆蛋白质涂层，并使用干涉仪的光学读数实时分析每层的沉积过程。

“芯片上的光学传感器具有高灵敏度，但对解决方案组件的特异性较低。首先，我们通过在表面涂上一层对单一组分敏感的分子来成功地提高它们的特异性。其次，传感器本身实时监控涂层过程，“Skoltech教授Dmitry Gorin解释道。

该团队将继续研究“芯片实验室”，这是一种可以使用小体积的生物样本（例如一滴血）同时分析多种成分的设备。为此，研究人员计划增加芯片上的PIC数量。

“同时操作芯片上的所有传感器，并修改每个通道的表面将有助于检查3至5微升血液中的标志物并提出初步诊断，”HSE毕业生，Skoltech博士生Aleksei Kuzin说。

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