在环境监测、疾病诊断和药物开发等领域，对生物样本进行快速且精准的分析至关重要。然而，传统分析方法常面临以下挑战：样品易受污染、人工操作易引入误差；试剂消耗量高，尤其不利于珍贵生物样本的分析；操作流程繁琐，样品制备与检测通常需要分步进行，导致效率低下。
一、创新平台：数字微流控与拉曼光谱的集成
近日，北京理工大学团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表突破性解决方案：全球首款数字微流控（DMF）与拉曼光谱集成芯片。
一体化操作与微量消耗：该平台可在单一芯片设备上完成从样品预处理到检测的全部流程。显著优势在于仅需5微升样本即可完成整个分析过程。
数字微流控技术（DMF）核心作用：通过在电极阵列上施加电场，实现对微升级别液滴的精确操控（如混合、分裂、移动）。这种方法显著降低了试剂消耗量，并提升了操作的自动化水平。
拉曼光谱技术优势与集成挑战：拉曼光谱能够提供物质分子的“指纹”信息，实现无损且高特异性的检测。然而，其固有信号强度较弱，且难以在微型设备中实现有效集成是本领域的难点。
核心突破：TRES（半透叠构增强）传感器融合：本研究的关键创新在于将DMF与拉曼光谱无缝融合，并引入了TRES传感器，从而构建了一个高度集成化的原位生物分析平台（图1A-C）。
图1.将拉曼光谱与DMF结合用于生化分析的集成系统。（A）基于DMF的原位拉曼测量系统示意图。（B）具有TRES传感器的DMF装置结构。（C）芯片上富集与外泌体检测分析。（D）DMF芯片上极板集成TRES传感器制备过程
二、研究方法：智能系统设计与核心创新
1.系统架构：精密集成设计
整个平台由两大核心组成：
数字微流控（DMF）芯片： 由精密加工的电极阵列组成，用于操控液滴运动（图1A）。芯片空腔高度设计为100μm，确保液滴操控的精确性和稳定性。
TRES传感器集成： TRES传感器直接集成于DMF芯片的上板（图1B）。其表面特定亲水化结构，能够高效地将目标分析物吸附富集至检测区域表面，从而提升信号获取效率。
TRES传感器制造工艺（图1D）： 制备工艺简洁高效，玻璃基底经机械加工控制粗糙度，再经铬、金金属膜沉积，最后用紫外光固化工艺分别定义亲疏水功能区。成本低廉且便于大规模制备，适合规模化生产及一次性应用需求。
2. 传感器优化：科学与工程的精妙平衡
TRES传感器的检测性能（表面增强拉曼散射，SERS效应）主要受控于其表面粗糙度（Ra值）和金膜厚度两个关键参数。
粗糙度（Ra）的优化（图2）： 通过扫描电镜（SEM，图2A）和白光干涉表面轮廓术（图2B-C）表征证实，当Ra值控制在 0.9μm 时，表面微纳结构最为密集，亲水性最强，最利于分析物的富集。
金膜厚度的优化（图2E）： 实验数据表明，当金膜厚度为 55nm 时，可最有效地激发表面等离子体共振（SPR）效应，使探针分子罗丹明B（Rhodamine B）在特征峰1505 cm⁻¹处的拉曼信号强度提升了1.67倍（与未经优化的金膜相比）。
优化效果（图2F-G）： Ra值0.9μm且金膜厚度55nm的组合，相较于未经优化的结构，检测灵敏度实现了26.3% 的显著提升。其作用机制（图2H）在于：入射激光在玻璃基底（折射率高于空气）中传播，能够更高效地耦合能量至金膜粗糙表面激发的SPR场，进而极大增强吸附于该区域分子的拉曼散射强度（即SERS效应）。
图2.TRES传感器的优化。（A）具有不同制造参数的传感器的SEM图像。（B）白光干涉表面轮廓术和（C）TRES传感器的粗糙度评估。从具有（D）不同粗糙度和（E）金膜厚度的TRES传感器测量罗丹明B的拉曼强度。侧视图：拉曼光谱峰值位于1505 cm-1。（F）Ra值为0.9μm时的干光谱和TRES结构光谱的比较。（G）不同制造参数的TRES结构的总体增强效果(Intensity@1505cm-1，p=0.0006）。（H）TRES增强效果示意图。
科学原理浅析：当激光穿过玻璃基底（图2H），其折射率高于空气，能更高效地耦合光能，将SERS信号进一步放大。这使得TRES传感器叠构比普通结构灵敏度提升26.3%。
3.自动化实验平台构建
整个检测系统由3D打印检测盒体、PCB控制电路板及电动移动平台集成构建（图3B）。样本（例如罗丹明B溶液）在芯片上完成稀释后，由DMF系统精确操控液滴移动至TRES传感器检测区域，集成或耦合的拉曼光谱仪随即进行原位数据采集。整个操作流程实现无人为干预，最大程度降低了样品污染风险。
三、实验结果：高性能验证与实际应用
1. 芯片级评估：灵敏度与稳定性的胜利
以罗丹明B为分析物，系统展现出优异性能：
- 高灵敏度与线性：在10⁻⁷–10⁻³ mol/L范围内（图3C），检测信号与浓度呈强线性关系（R² = 0.985）。检测限达1.79 × 10⁻⁸ mol/L，媲美专业实验室设备。
- 卓越稳定性：传感器表面70个检测点的信号偏差仅7.6%（图3E），证明其空间均匀性，确保结果可靠。
图3.芯片上样品处理和检测。（A）DMF芯片样品处理和TRES传感器信号检测的示意图。（B）DMF芯片上加载的分析物的图像（俯视图和仰视图）。（C）不同浓度罗丹明B的片上灵敏度和线性测试。（D）传感器的校准曲线。（E）在TRES传感器的不同部分测量的SERS信号的峰值（@1505 cm-1），表明其具有良好的空间均匀性。
2. 生物医学应用：外泌体的原位富集与检测
外泌体作为癌症标志物，通常需复杂分离步骤。本平台通过磁珠富集法（图4B），在芯片上完成血清样本处理：
1. 磁珠富集捕获：功能化修饰的磁珠特异性结合并捕获外泌体。
2. 靶标释放：使用氨水等化学试剂洗脱，将外泌体从磁珠表面释放。
3. TRES检测：释放后的外泌体被TRES传感器亲水表面高效吸附，进行拉曼光谱检测。
检测结果（图4D）： 获得的拉曼光谱清晰地显示了外泌体的特征峰，例如：963 cm⁻¹（对应脂类分子振动）和 1506 cm⁻¹（对应DNA/RNA相关结构），成功实现了外泌体的特异性识别。
血清样本适用性验证： 尽管真实血清样本成分复杂导致背景干扰，与外泌体悬浮于缓冲液中的信噪比相比有所下降，系统仍能达到实用信噪比 0.71，证明了其在临床复杂基质中的适用潜力。平台在浓度梯度实验中也展现了良好的线性响应（图4E）。此外，系统还成功应用于维生素、抗生素等小分子物质的检测，验证了其广泛的适用性（图4E注）。
图4。外泌体样品的芯片富集和检测。（A）外泌体的主要检测位点。（B）片上富集和外泌体检测的示意图。（C）来自SEM图像的外泌体的尺寸分布及其在传感器表面上的形态。（D）使用DMF装置从上清液和血清样品中富集的外泌体的拉曼光谱，并用集成TRES传感器进行检测。对残留的上清液进行了类似的测试，以评估非外泌体成分的影响，并使用不含任何样品的底物作为参考建立了基线。（E）使用963 cm-1处的拉曼峰对不同浓度的外泌体样品进行线性拟合曲线。
此外，系统还成功检测了维生素、抗生素等突显其广泛适用性。
四、平台优势与研究意义
- 高度集成化设计： 该平台成功地将传统上分离进行的样品制备步骤与拉曼光谱检测集成到一枚小型芯片设备中（图1, 3），缩短流程80%以上。
- 成本效益与可扩展性： 基于其简洁高效的制造工艺（图1D, 2D），TRES传感器具备规模化生产的潜力，单件成本可控，有利于推动该技术的普及应用。
- 广阔的应用前景：
即时诊断（POCT）： 尤其适用于资源有限或野外环境下的传染病快速筛查。
环境监测： 实现对水体等环境基质中污染物的原位、实时、高灵敏度分析。
药物研发： 用于微量药物分子的活性测试与相互作用研究。
追光生物DropletBot®数字微流控平台
五、结论-迈向智能生物分析的未来
本研究不仅验证了将数字微流控（DMF）与拉曼光谱集成于单一芯片平台进行高灵敏度原位生物分析的技术可行性，更通过TRES传感器实现了“高灵敏度、低消耗、自动化”的原位检测。无论是外泌体还是小分子污染物，系统都展现出强大性能。随着技术优化，这种平台有望成为家庭医疗、野外科研的标配工具，让精准检测触手可及。
文章信息：
Wenbo Dong，Rongxin Fu，Nan Zhang，Jing Zhao，Yudan Ma， Han Cui，Jiangjiang Zhang，Zipeng Zhao，Hang Li，Yunxia Zhao，Yao Lu，Zhizhong Chen，Tianming Xu，Huikai Xie，Qian Yu，Shuailong Zhang，“Digital microfluidics with integrated Raman sensor for high-sensitivity in-situ bioanalysis”，Biosensors and Bioelectronics, 271 (2025) 117036
论文链接：
论文原文 https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.117036
粤公网安备44030002004557号
