基于鞘流即插即用3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)

單個(gè)微粒的檢測(cè)可以揭示微滴、微塑料、細(xì)胞等異質(zhì)性或獲取混合樣品的編碼信息，無(wú)標(biāo)記、動(dòng)態(tài)的單微粒拉曼檢測(cè)具有對(duì)微液滴、微塑料和活細(xì)胞的化學(xué)和生物異質(zhì)性的研究能力，微粒的3D流體動(dòng)力聚焦是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。目前制造3D流體動(dòng)力聚焦的方法非常復(fù)雜且依賴于潔凈室以及專業(yè)操作的限制。近期，西安電子科技大學(xué)胡波教授課題組創(chuàng)新性地研發(fā)了一種簡(jiǎn)便的即插即用3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)，相關(guān)成果以“A plug-and-play 3D hydrodynamic focusing Raman platform for label-free and dynamic single microparticle detection”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威雜志Sensors and Actuators B： Chemical上。

3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)由同軸針頭、石英毛細(xì)管和3D打印支架三個(gè)部件以即插即用的方式組裝而成，不需要任何專業(yè)技能和復(fù)雜的條件，實(shí)現(xiàn)了微粒3D流體動(dòng)力聚焦。

圖1 即插即用3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)物圖

研究人員通過(guò)理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面探討了微粒在該平臺(tái)上的3D流體動(dòng)力聚焦問(wèn)題。系統(tǒng)地論證了鞘液流與核液流的流量比和總流量對(duì)微粒聚焦?fàn)顟B(tài)的影響，證明該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了微粒的3D流體動(dòng)力聚焦。

圖2 即插即用3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)的微粒3D流體動(dòng)力聚焦

在相同的檢測(cè)條件和微粒濃度下，通過(guò)對(duì)比不同的聚焦?fàn)顟B(tài)，良好的微粒聚焦?fàn)顟B(tài)會(huì)顯著改善拉曼信號(hào)，聚焦良好的微粒的拉曼強(qiáng)度幾乎是未聚焦微粒的3倍。在良好的聚焦?fàn)顟B(tài)下，進(jìn)一步探究微粒的速度和濃度對(duì)拉曼檢測(cè)的影響，結(jié)果表明在拉曼檢測(cè)參數(shù)不變的前提下，通過(guò)降低微粒子的速度和降低微粒的濃度可以實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記、動(dòng)態(tài)的單粒子拉曼檢測(cè)。

圖3 即插即用3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)聚焦?fàn)顟B(tài)對(duì)拉曼檢測(cè)的影響

通過(guò)建立拉曼光譜分類的KNN模型，該平臺(tái)檢測(cè)的準(zhǔn)確率、靈敏度和特異度均達(dá)到100%。此外該平臺(tái)還可用于兩種和三種微粒混合樣品的無(wú)標(biāo)記、動(dòng)態(tài)檢測(cè)，有望成為微滴內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)、微塑料檢測(cè)與分類、活細(xì)胞非侵入性生物傳感等無(wú)標(biāo)記、動(dòng)態(tài)單微粒檢測(cè)有力工具。

圖4 即插即用的3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)的拉曼光譜分類的KNN模型及其在單微粒拉曼檢測(cè)中的應(yīng)用

該研究提出了基于鞘流的即插即用3D流體動(dòng)力聚焦拉曼平臺(tái)，在單粒子水平上實(shí)現(xiàn)了流體中微粒的拉曼檢測(cè)。該平臺(tái)基于軟管微流控的組裝思路進(jìn)行開發(fā)，制作簡(jiǎn)便、成本較低，與拉曼和SERS檢測(cè)技術(shù)具有較好的聯(lián)用效果，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的光譜。該平臺(tái)作為一種簡(jiǎn)便的即時(shí)檢測(cè)工具，將有望在生物化學(xué)、臨床診斷及食品安全領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。