以馬赫-曾德爾干涉儀為例，混合光子-微流控芯片的工作原理。斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究所

來自Skoltech，HSE，MPGU和MISIS的聯(lián)合研究小組開發(fā)了一種用于生化分析的緊湊型傳感器，為“芯片實驗室”的發(fā)展開辟了新的領(lǐng)域。以牛血清白蛋白膜為例，研究人員證明了芯片表面可以適用于多組分溶液的選擇性分析。除了僅用3至5微升血液即可進(jìn)行準(zhǔn)確的血液測試外，該芯片還將幫助醫(yī)生檢測特定的疾病標(biāo)志物。該研究發(fā)表在《分析化學(xué)》上。

“雖然只有五盧布硬幣，但該芯片可以容納數(shù)十個敏感設(shè)備和微流體通道。此外，您可以修改傳感器的表面并創(chuàng)建芯片實驗室原型，“MIEM HSE和MPGU教授，新技術(shù)的共同開發(fā)Grigory Goltsman指出。

幾乎每次體檢都從測試開始，常見的是顯示血紅蛋白、紅細(xì)胞和血細(xì)胞水平等的血細(xì)胞計數(shù)。有時只需要一個組件來評估患者的病情。例如，您可能需要確定外泌體的數(shù)量 - 大量可能是癌癥征兆的微觀細(xì)胞外囊泡。

出于測試目的，實驗室使用敏感的傳感器，其表面覆蓋有特殊涂層，僅與特定的外泌體結(jié)合，并從溶液中挑選出來進(jìn)行分析。某些設(shè)備需要多步驟程序，包括涂覆和另一臺儀器的質(zhì)量檢查。作者展示了一種通過使用片上傳感器檢查表面質(zhì)量來簡化測試的方法。

為此，他們在芯片襯底上涂上了薄蛋白膜，并進(jìn)行了一系列實驗。該芯片由三部分組成：攜帶物質(zhì)的微流體通道、涂層下方的氮化硅襯底和用于測量物質(zhì)光密度的光子集成電路（PIC）。微流體通道位于PIC器件的敏感部分上方。

在馬赫-曾德爾干涉儀中，注入系統(tǒng)的光束被分成兩部分，一部分直接進(jìn)入包含該物質(zhì)的微流體通道上方的上臂，另一部分進(jìn)入下臂進(jìn)行比較，不受任何影響。光密度的變化是從下臂和上臂之間的光程長度的差異中發(fā)現(xiàn)的。

在實驗中，研究人員將蛋白質(zhì)和單寧酸薄膜逐層沉積到PIC的敏感表面上。通過微流體通道泵送牛血清白蛋白后，他們用去離子水沖洗掉多余的白蛋白，泵入單寧酸，重新涂覆蛋白質(zhì)涂層，并使用干涉儀的光學(xué)讀數(shù)實時分析每層的沉積過程。

“芯片上的光學(xué)傳感器具有高靈敏度，但對解決方案組件的特異性較低。首先，我們通過在表面涂上一層對單一組分敏感的分子來成功地提高它們的特異性。其次，傳感器本身實時監(jiān)控涂層過程，“Skoltech教授Dmitry Gorin解釋道。

該團(tuán)隊將繼續(xù)研究“芯片實驗室”，這是一種可以使用小體積的生物樣本（例如一滴血）同時分析多種成分的設(shè)備。為此，研究人員計劃增加芯片上的PIC數(shù)量。

“同時操作芯片上的所有傳感器，并修改每個通道的表面將有助于檢查3至5微升血液中的標(biāo)志物并提出初步診斷，”HSE畢業(yè)生，Skoltech博士生Aleksei Kuzin說。