《Sensors and Actuators B: Chemical》：Ultrasound-Enhanced Microvortex Transport for Rapid, Label-Free DNA Detection on a Tapered Fiber Mach?Zehnder Interferometer Biosensor
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Jing Zhou|MengRan Chen|Xiaonan Yang|Xianchao Yang|Kang Wang|Hang Wang|Bo Xu|Haoliang Li|Yuling Liu|Wenchang Zhang|Bing Chen|Ya Li郑州大学第一附属医院胃
Jing Zhou|MengRan Chen|Xiaonan Yang|Xianchao Yang|Kang Wang|Hang Wang|Bo Xu|Haoliang Li|Yuling Liu|Wenchang Zhang|Bing Chen|Ya Li
郑州大学第一附属医院胃肠病学系，中国郑州，450052
摘要
光纤生物传感器在无标记生物分子检测方面具有出色的物理灵敏度，但在超低浓度范围内的实际性能常常受到扩散限制的质量传输的阻碍。为了弥合内在光学灵敏度与实际生物传感能力之间的差距，研究人员引入了一种超声增强的锥形光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）生物传感器，该传感器利用声流微涡流克服了热力学和动力学障碍。通过合理设计扇形尖端微结构，在压电换能器的驱动下，能够在光纤表面附近的尖端腔室内生成稳定的尖端耦合微气泡。这些气泡能够产生强大且稳定的声流涡流，将分析物从体相溶液中主动传输到传感器表面。以单链DNA（ssDNA）检测为例，这种主动传输机制将检测限（LOD）降低了一个数量级——从静态条件下的100 fM降至超声激发下的10 fM——同时将整体灵敏度提高了22.5%。此外，微涡流产生的流体动力剪切力提供了实时的“声清洗”效应，从热力学上破坏了非特异性结合事件，从而显著提高了特异性。这项工作提出了一种通用的非接触式策略，以充分发挥光纤传感器的潜力，为快速、高保真的临床诊断提供了可靠途径。
引言
光纤生物传感器因其微型化设计、远程和分布式检测能力、固有的电磁免疫性以及与微流控/临床采样格式的直接集成而受到持续关注[1]、[2]、[3]。大多数光纤生物传感的原理是基于表面亲和作用（例如DNA杂交），这种作用会扰动衰减场穿透深度内的局部折射率（RI）或光学损耗，进而转化为可测量的光谱位移、相位变化或强度调制[4]。由于这些优势，光纤生物传感器已在包括临床诊断、环境监测、食品安全以及新兴的体内/植入式应用等多个领域得到应用，在这些应用中，灵敏度、特异性和稳健性尤为重要[5]、[6]。
随着光纤生物传感器的发展，将检测限（LOD）推向超低浓度已成为核心目标。现有的灵敏度提升策略主要集中在设备级别的光学转换上，可分为四类。第一种主要方法是几何和模式工程，如锥形化、蚀刻、抛光以形成D形或微腔结构，从而增加衰减场的比例，进而提高RI响应性[7]。这些方法通常成本低廉且与标准光纤兼容，但往往会影响机械稳健性和封装重复性，尤其是在微/纳米级锥形结构中[7]、[8]。第二种策略依赖于表面等离子体共振（SPR）/局域表面等离子体共振（LSPR）及相关共振，可以实现超高表面灵敏度和无标记检测，但常常带来实际 trade-offs，如较宽的共振线宽、偏振限制以及与金属薄膜或纳米结构相关的稳定性问题[9]、[10]、[11]。第三种方法利用基于光栅的模式耦合（例如倾斜光纤布拉格光栅，TFBGs），实现波长编码的读出和多路复用[12]。然而，基于光栅的传感器可能会表现出温度交叉敏感性，通常需要精心设计以确保与外部介质的强相互作用。最后，干涉式光纤传感器（如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）提供相位敏感的读出，并能实现相对狭窄的光谱特征的高RI分辨率[13]、[14]、[15]、[16]，但其实际性能受到环境敏感性和制造公差的限制，这些因素会影响条纹可见性和稳定性[17]、[18]。总体而言，这些策略显著提升了光学转换性能，并推动了紧凑型、高灵敏度平台（如锥形光纤MZI）的发展，用于无标记生物传感[18]、[19]。
尽管这些物理层面的进步已将光纤传感器的RI灵敏度推向理论极限，但在实际样品中将“高物理灵敏度”转化为“高生物传感性能”仍存在瓶颈[20]。上述大多数策略增强了换能器将给定表面RI扰动转换为光学信号的能力，但未能解决任何生物传感事件的前提条件——在传感界面高效捕获目标分子[21]。在低浓度检测中，尤其是在飞摩尔到皮摩尔范围内，分析物向锥形或纳米光纤的微尺度传感区域的传输主要受布朗扩散控制[22]。因此，目标分子在合理时间窗口内随机遇到并结合到光纤表面的概率本质上较低，导致响应缓慢、信噪比（SNR）差以及测量不确定性大[23]、[24]。因此，提高传感器表面的质量传输限制结合效率对于充分利用光纤MZI设备的固有RI灵敏度、缩短检测时间以及最终提高复杂生物基质中的实际LOD至关重要。
为了缓解质量传输限制，人们探索了多种主动和被动方法，包括微流控流动聚焦、混沌混合器、电泳和磁泳预浓缩，以及机械搅拌或光热对流[25]、[26]。虽然这些方法可以部分缓解扩散障碍，但它们通常需要额外的电极、磁铁或复杂的芯片架构，并可能引入焦耳加热或强烈的局部温度梯度，从而影响生物分子的完整性[27]、[28]。在这种情况下，声流技术作为一种温和、无接触的微尺度流体和颗粒操控方法应运而生[29]。声驻波、表面声波和声驱动的微气泡已被成功用于颗粒和细胞聚焦、分离和富集、液滴操控以及即时检测，因为它们具有高精度、可扩展性和与标准微流控材料的兼容性[30]、[31]。例如，它们已被用于超分子（如氨基酸）检测[32]、细胞外囊泡分离[33]和肿瘤细胞操控[34]。特别是，振荡的微气泡能够产生强烈的局部声流涡流，将微/纳米颗粒捕获并集中在气泡表面附近，显著增强向指定区域的物质传输。然而，将这种声流效应与脆弱的锥形光纤结构集成用于生物传感尚未得到充分研究，关于气泡稳定性、流动模式的可控性以及与光学响应的兼容性等问题需要仔细解决。
在这项工作中，我们介绍了一种超声增强的锥形光纤MZI光学生物传感器，用于高灵敏度的DNA检测，直接针对质量传输瓶颈。通过将锥形传感MZI光纤集成到带有扇形微结构的微流控通道中，并由压电换能器（PZT）驱动，我们在光纤表面附近的尖端腔室内声学生成并稳定了尖端耦合的微气泡。该PZT集成微流控芯片具有高稳定性和低功耗，能够生成声学活性的微涡流，以增强传感区域附近的物质传输。在超声激发下，这些微气泡产生了持续的微涡流，主动将单链DNA（ssDNA）分子从体相溶液中吸引并集中在功能化的光纤表面。这种独特的声流效应显著提高了ssDNA的有效碰撞频率和结合概率，即使在超低浓度下也是如此。实验结果表明，这种超声增强将ssDNA的检测限从100 fM降低到10 fM，并将整体灵敏度提高了22.5%。此外，微涡流产生的流体动力剪切力提供了实时的“声清洗”效应，从热力学上破坏了非特异性结合事件，从而显著提高了特异性。这种声流策略为弥合物理RI灵敏度与生物传感性能之间的差距提供了一条通用途径，并可轻松扩展到其他基于光纤的平台和生物分子目标。
章节片段
材料和试剂
用于制备微流控芯片的材料是PDMS（聚二甲基硅氧烷，Sylgard 184，Dow Corning）；单模光纤：标准单模光纤（Corning SMF-28e），用于制备锥形光纤传感器，购自中国武汉长江光纤电缆有限公司；DNA探针和样品：识别探针DNA（5’-TTT TTT TTT GTC CTG AGT CCC GTC CC-3’），目标DNA（5’-GGG ACG GGA CTC AGG AC-3’），非互补DNA（5’-AAA GTA AAG TCT GAA GT-3’）
工作原理
如图1所示，传感模块集成了三个紧密耦合的元件：(i) 在通道内形成稳定、周期性排列的气泡微流控芯片；(ii) 用于声学激发芯片的粘合PZT；(iii) 作为无标记换能器的锥形光纤MZI。含有ssDNA的样品被引入微通道并引导通过锥形MZI区域，其表面经过互补捕获功能化处理
结论
总之，我们开发并表征了一种超声增强的锥形MZI光纤生物传感器，有效规避了静态微流控检测中的质量传输限制。通过将压电换能器与柔性的微尖端结构战略性地结合，实现了稳定且可控的微涡流的生成，这些微涡流主动将生物分子招募到传感区域。这种声流集成带来了双重好处：
CRediT作者贡献声明
Yuling Liu：研究、资金获取。Wenchang Zhang：监督、概念化。Bing Chen：撰写——审稿与编辑、验证、监督、概念化。Jing Zhou：撰写——初稿、方法学、研究、资金获取、数据管理、概念化。Ya Li：撰写——审稿与编辑、验证、监督、概念化。Kang Wang：研究。Hang Wang：方法学。Bo Xu：方法学。Haoliang Li：方法学。Chen Mengran：
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号62574188）；河南省科技厅重点研发项目（251111314500）；国家集成电路制造技术重点实验室开放项目（E5SGZ06301）；河南省医学科技项目（LHGJ20250282）；山西省基础研究计划（20210302124580）；以及吕梁市项目的支持
Jing Zhou目前是中国郑州大学第一附属医院胃肠病学系的博士后。她的研究方向是识别和检测与胃肠道肿瘤相关的生物标志物。
