综述：集成微流控生物传感器：塑造定量生命科学与片上分子诊断的未来

《Lab on a Chip》：Integrated microfluidic biosensors: shaping the future of quantitative life sciences and on-chip molecular diagnostics

　　

集成微流控生物传感器已迅速发展成为强大的平台，以满足对超灵敏和高通量定量分析日益增长的需求。通过将基于微流控的样品处理与基于生物传感器的实时检测无缝结合，这些系统在灵敏度、速度、便携性和即时监测方面提供了无与伦比的优势，从而变革了人类与动物健康诊断、环境传感和即时检验（POCT）。在该综述中，研究人员对集成微流控与生物传感器进行了全面概述，重点介绍了这两个互补领域之间的协同相互作用及其各种生物医学应用。首先，研究人员探讨了不同的微流控技术，包括3D动态细胞培养系统、惯性微流控分离、声流控技术（acoustofluidics）、介电泳（dielectrophoresis, DEP）、光流控（optofluidics）和免疫分析。接下来，研究人员讨论了集成各种生物传感器技术的微流控系统，包括电化学、电生理学、等离子体共振（plasmonic）、拉曼（Raman）和量子传感器。这些系统旨在检测和分析DNA、RNA、蛋白质、外泌体、细胞和小型生物体，覆盖从纳米到毫米的尺寸范围。此外，研究人员讨论了集成微流控生物传感器的广泛应用，并探讨了影响其持续发展和实际应用的重要挑战与未来机遇。最后，该综述重点介绍了利用集成微流控技术成功开发的商业产品。

微流控技术与生物传感器的集成旨在将样品处理与检测统一于一个紧凑的平台，以解决传统方法中样品分离、富集和检测相分离所导致的低效、样品损失和潜在污染问题。该综述从微流控技术和生物传感模态两个核心维度，系统阐述了集成系统的原理、进展与应用。

**微流控技术用于样品处理与操作**
微流控技术通过集成分离、富集和纯化等关键操作，实现了复杂生物样品的高效、高分辨率处理。本部分介绍了几种基础微流控策略。

**被动微流控** 利用通道几何结构和流体物理特性进行操作，无需外部驱动。**惯性与二次流驱动的微流控**利用微通道中有限雷诺数下产生的水动力惯性升力和迪恩涡（Dean vorticks），实现对细胞或纳米颗粒的高通量、无标记分离与富集。例如，涡旋微流控技术已用于无标记分离前列腺循环肿瘤细胞（CTCs）。基于几何结构与约束的微流控方法，如纳米确定性横向位移（deterministic lateral displacement, DLD）阵列和微流控过滤器，通过物理结构决定性地偏转粒子轨迹，实现基于尺寸或可变形性的连续分馏。这类方法已扩展至细胞力学表型分析，如结合尺寸富集与变形性分析来分离和剖析循环肿瘤细胞。

**主动场驱动微流控操作** 利用外部施加的场实现动态、可重构的精确控制。**声流控技术**利用声辐射力和声流对生物颗粒进行无接触、生物相容性高的操作，其力的大小和方向可通过声学参数实时调节。该技术已应用于循环肿瘤细胞分离、治疗性血液成分单采以及液滴内颗粒的三维旋转控制。**介电泳（DEP）**基于颗粒的介电特性在不均匀电场中进行操控，提供了基于电表型的高选择性。DEP已用于大规模细胞配对融合、循环肿瘤细胞的无标记捕获以及细胞外囊泡的快速富集。**光流控**集成光场与微流体系统，实现流体驱动、粒子捕获或光化学调制。例如，利用光热纳米粒子诱导流体流动，或基于光响应材料实现全光学泵送。**数字微流控**在平面电极阵列上对离散液滴进行可编程操控，其主要模式是基于电润湿（EWOD）。该技术已成功应用于核酸扩增、测序文库制备以及微生物电穿孔等自动化工作流程。**微流控免疫分析**利用抗体-抗原特异性结合实现目标分子的捕获与分析，已发展出用于单细胞分析的微流控系统、用于外泌体超灵敏捕获的纳米结构芯片以及基于磁性纳米颗粒的流式细胞术平台。

**用于动态三维细胞培养的微流控平台** 通过嵌入可灌注通道和控制流动，在紧凑的平台上构建具有功能性血管和动态微环境的生理性3D组织。该平台已用于模拟肝脏血窦、研究血管形态发生以及进行肿瘤类器官的组合药物筛选。

**基于微流控的生物传感与分子分析**
本部分介绍了多种与微流控集成的生物传感技术。

**电化学生物传感器** 在固-液界面进行直接电学转导，兼容不透明样本。其主要技术包括：**电位法**，测量离子活性或分子结合引起的平衡电位变化；**安培法**，测量氧化还原反应产生的电流，具有高灵敏度和快速响应；**阻抗法**，测量界面阻抗变化，可实现无标记、广谱分析。这些技术已用于检测血红蛋白A1c、病毒RNA，并整合到器官芯片平台中实时监测组织缺氧。

**电生理传感器** 直接记录、刺激和监测生物系统的电活动。集成微流控的电生理平台可实现单细胞级别的膜片钳记录、细胞内递送与记录的同步进行，以及跨上皮电阻（TEER）与电生理活动的同步监测。该技术已应用于神经元网络、脑类器官的长期无创监测，以及可穿戴汗液激活电池系统的生理指标记录。

**等离子体共振传感器** 利用金属纳米结构表面等离子体共振（SPR）或局域表面等离子体共振（LSPR）对折射率变化的高灵敏度，实现无标记检测。该技术已用于增强荧光信号、检测金属离子、快速扩增核酸（如纳米等离子体PCR），以及通过可穿戴纸基平台实时分析汗液生物标志物。

**拉曼光谱传感器** 基于非弹性光子散射提供分子振动指纹。**表面增强拉曼散射（SERS）**利用纳米结构金属基底增强信号。SERS分为**无标记SERS**，直接检测目标分子的固有拉曼信号；和**标记/特异性SERS**，使用拉曼活性报告分子。该技术已应用于外泌体无标记检测、基于机器学习的抗生素耐药性快速分析、癌症生物标志物（如miRNA）的无扩增检测，以及追踪治疗过程中黑色素瘤外泌体的表型变化。

**量子传感器** 利用自旋相干、隧穿等量子原理，实现超越经典技术的灵敏度。例如，基于金刚石**氮-空位（NV）中心**的传感器可用于检测病毒蛋白结合事件、在液滴中实现超高灵敏度化学检测、进行二维核磁共振（NMR）波谱分析，以及在六方氮化硼（hBN）中利用自旋缺陷进行量子传感。

**基于距离的读出策略** 将分析物浓度编码为空间信号（如液体流动距离），实现无需光学或电学仪器的检测。该技术已用于蛋白质、核酸的检测，以及基于外泌体聚集的无仪器快速定量，主要包括基于毛细流动的距离读出和基于体积变化的柱状图读出。

**集成微流控生物传感器的应用**
本部分概述了从分子到小型生物体的广泛应用领域。

**小分子与蛋白质检测** 集成微流控平台通过增强质量传输、实现单分子数字计数（如基于介电泳的数字传感）以及提供无标记尺寸分析（如逃逸时间立体测绘），显著提升了检测性能。该技术已用于检测癌症生物标志物、毒品（如THC）、病毒抗原（如HCV抗原），以及可穿戴设备中分析汗液化合物。

**外泌体分离与检测** 针对外泌体异质性低丰度的挑战，发展了多种集成方案。例如，声驱动离心平台（ASCENDx）用于外泌体浓缩与miRNA分析；负压振荡系统（EXODUS）用于高产率纯化；结合磁分离与电化学检测的芯片用于直接分析临床样本中的外泌体。

**病原体检测** 目标是开发“样品进-结果出”的一体化技术。平台设计因应用场景而异，从自供电、低成本的POCT设备到实验室级全自动系统。最新进展包括提高灵敏度和多重检测能力，如基于液滴的免疫亲和捕获、声磁集成芯片，以及实现核酸与抗体同时检测的多模态平台。

**单细胞分析** 集成微流控技术实现了对罕见和异质性细胞的检测、分离和表征。技术包括高通量微流控芯片隔离单个循环肿瘤细胞、基于声学或拉曼图像激活的细胞分选、液滴微流控进行单细胞条形码测序（如ATLAS-seq），以及基于细胞质量、密度或迁移行为的功能表型分析。

**类器官与组织监测形成** 微流控平台用于构建和监控生理性3D组织。应用包括利用三维声镊形成多细胞球体、通过声流控接口调节间充质干细胞机械生物学分泌组、使用可重构开放平台研究旁分泌信号，以及利用悬浮微通道谐振器测量肿瘤细胞质量变化以预测患者药物反应。

**小型生物体研究** 集成平台用于对线虫、斑马鱼等小型模式生物进行高通量表型分析、自动化排序、长期无创电生理监测（如斑马鱼多通道电生理记录）和高通量转基因操作（如机器微注射），并在神经退行性疾病药物筛选和蚊媒病原体传播研究中得到应用。

**商业化系统** 记录了多种已商业化的集成平台，涵盖多个传感模态和应用领域。包括表面等离子体共振系统（如Cytiva的Biacore、Carterra的LSA）、波导系统（Malvern Panalytical）、悬浮微通道谐振器系统（用于抗生素敏感性测试和肿瘤细胞质量测量）、下一代测序平台（如Illumina NovaSeq 6000）、数字PCR系统（如Combinati Absolute Q）、微流控芯片数字PCR（如Fluidigm BioMark X9）、即时分子检测（如Lucira COVID-19测试条）、以及用于动态细胞培养和类器官研究的商业化平台（如CellASIC ONIX、AIM Biotech、Emulate organ-chips、IMEC微电极阵列）。

**人工智能对微流控生物传感的潜在影响** 正成为关键使能层，主要体现在：信号提取与解释（如去噪、光谱分类）、自适应与闭环控制（通过强化学习实现自主优化）、设备设计加速（利用物理信息模型），以及解释生物异质性（支持精准诊断）。未来，AI有望从后处理工具演变为集成系统的核心架构组件，实现闭环自适应分析。

**转化前景与挑战**
当前，集成微流控生物传感器的技术就绪度不一，某些组件已具备规模化潜力，而更复杂的系统则依赖专用仪器。主要转化障碍包括：制造与规模化（需考虑注塑成型等可扩展方法）、系统复杂性与用户负担（需简化操作）、验证与法规对接（需进行系统性基准测试和跨实验室重现性研究）。成功转化需要遵循一条路线图：实现完全集成 -> 确保重现性与鲁棒性 -> 完成标准化与验证 -> 解决规模化制造与部署，最终实现从实验室原型到可靠、可部署系统的转变。