生物分子标志物检测技术主要依赖可溶性分子的扩散来进行检测反应，在临床诊断以及尖端科学研究中扮演着关键角色。然而，被动扩散过程具有不可预测性。传统的多步骤固态生物传感方法需要数小时的孵育时间。同时，被动扩散难以将足够的靶分子引导至生物传感区域，出现“假阴性”结果。为了提高灵敏度，可以利用物理或化学效应来增强信号，但可能会因为靶分子不足而导致“假阴性”或因噪声增加而产生“假阳性”。另一种策略是引入外部物理场以促进靶分子的富集，但必须考虑由非特异性结合引起的“假阳性”。
微流控技术通过让液体中的靶分子连续流过微通道以收集更多的靶分子、缩短扩散时间，然而，微尺度通道内部固有的层流特性仍是提高生物分子结合效率的主要障碍。中国科学院微电子研究所张文昌、赵阳、黄成军研究团队提出利用声学微流控增强方法主动富集靶分子，实现生物传感的高灵敏度，相关成果发表于国际期刊Microsystems & Nanoengineering。研究团队将聚焦表面声波(FTSAWs)引导到声学微流控芯片中(图1a)，利用声力具有高精度操控微颗粒、对流体和颗粒成分不敏感等优点解决被动扩散过程中的不可预测性。预先捕获靶分子的微珠在声力作用下被高效富集(图1b,c)，并在生物传感区域完成快速检测，显著提高了检测灵敏度和速度。
图1：a声学微流控增强生物传感原理图，实现在微通道中完成连续的特异性富集和检测。b富集和检测过程。红色区域表示预先捕获靶分子的微珠的特异性富集区域。c没有(i)或有(ii)声学增强的特异性富集区域内微珠携带靶分子的对比照片。
该研究利用声辐射力将流经通道的聚苯乙烯(PS)微珠聚集，其中携带靶分子的微珠将被特异性捕获(图2a)。聚焦表面声波(FTSAW)由聚焦叉指换能器(FIDT)共振激发，并随着泄漏的表面声波（LSAW）进入微通道中的流体而传播(图2b-i)，对微珠施加纵向声辐射力(图2b-i)。当施加足够的射频信号强度作为驱动源时，该声学微流控芯片几乎可以捕获所有的微珠。
研究人员基于抗体-抗原结合作用进行微珠的捕获和富集，以实现特定的生物传感(图3a)。在声辐射力的驱动下，非特异性地预先吸附了样品中人IgG分子的微珠被推向具有特异性抗体涂层的顶面进行免疫结合(图3a-i和ii)，完成特异性富集(图3a-iii)。使用不同浓度人IgG分子预先捕获的聚苯乙烯微珠进行检测(图3b)。结果表明，利用抗体-抗原结合的声学微流体增强生物传感方法可以同时提高灵敏度和速度，无需复杂的检测设备即可轻松读取生物传感结果。
图2：a显示微珠富集的详细情况。b设备仿真模拟分析。(i)铌酸锂变形。(ii)微通道内声压的模拟。c器件的形态特征。(i)设备图片。(ii) FIDT的显微照片和(iii)微通道。d基于矢量网格分析仪测量的参数图。
图3：基于抗体-抗原结合的生物传感实验。a检测过程(i)和x-z平面(ii)和y-z平面(iii)显示富集。b靶分子浓度为0(i)、10 ng/mL(ii)和100 pg/mL(iii)时捕获的7µm微珠的显微镜图像。
为了防止非特异性结合，进一步提高特异性和准确性，研究人员使用带有增强FTSAW的三明治生物传感方法用于检测靶分子。活性富集微珠的数量随时间线性增加，当靶分子浓度为100 pg/mL时(图4)，收集到显著数量(>基线数)微珠的时间为~19.75 s，富集微珠的数量大于对照组，这表明利用声力进行活性富集可显著提高分子的结合概率，降低了传统方法的生物传感时间和LOD。传统的方法不仅需要很长的分析时间，而且其LOD仍然在纳摩尔水平。
图4：基于夹心反应的生物传感性能表征。a)不同浓度下富集微珠的数量。不同分子浓度下，60秒内b)生物传感时间与分子浓度和c)收集微珠总数的统计图。
综上所述，研究人员提出的声学微流控方法，能够有效解决因被动扩散和无序结合而导致的低浓度靶分子检测灵敏度和速度的难题。利用FTSAW精确操控微颗粒的能力，可以对微珠携带的靶分子进行特异性富集。与其他复杂的生物传感方法相比，该方法无需额外的信号采集设备，可以直接读取结果，展示了声学微流控技术的潜力。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00731-3
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