基于量子级联技术的中红外“芯片实验室”，可用于动态反应原位监测

MEMS 2022-08-25 00:00

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据麦姆斯咨询报道，近日，一支由奥地利维也纳技术大学（TU Wien）、巴西里约热内卢天主教大学（Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro）和捷克布尔诺理工大学（Brno University of Technology）的研究人员组成的团队在Nature Communications期刊上发表了题为“A mid-infrared lab-on-a-chip for dynamic reaction monitoring”的最新论文，该论文提出的基于量子级联技术的单片集成的中红外传感器——“芯片实验室”（lab-on-a-chip），可实现液体中动态化学反应的原位监测。

图1 牛血清白蛋白（BSA）的傅里叶变换红外光谱（FTIR）及提出的中红外传感器示意图

从医学诊断、环境传感和气候研究到光谱成像和安全应用，传感器已经在无数层面进入了我们的日常生活。它们检测、分析各种相关物质（例如潜在的危险化学品）并对其做出反馈。虽然中红外（mid-IR）气相光谱技术如今已被广泛用于基于量子级联（QC）技术的传感应用，但液体检测技术仍处于起步阶段。例如，包括尝试解决高密度液体介质中非常宽的吸收带（>10-50cm⁻¹）。当在非常低（ppb-到ppt-）浓度水平或快速变化的浓度下检测目标分析物，同时研究分子的化学反应或构象变化时，这将成为一项更具挑战性的任务。监测液相动态过程的传感器的理想特性包括快速响应时间、高灵敏度和特异性，以及分析微升（microliter）样本大小的宽动态浓度范围的能力。

因此，在中红外光谱范围（~500-1700cm⁻¹）内基本分子吸收的光谱指纹区域，特别是在蛋白质分析中的蛋白质酰胺I带区域（~1600-1700cm⁻¹），对于传感器的特异性而言是非常有益的。

传感器的灵敏度取决于其噪声性能和校准线的斜率。在基于Beer-Lambert定律的光谱技术中，灵敏度可以通过最大化样本中光的有效相互作用长度来定制。然而，对于现有技术，水溶液中典型的中红外吸收长度值位于低微米尺度，并且通常需要使用体积庞大的设备。因此，高功率光源和高性能探测器，如QC激光器（QCL）和QC探测器（QCD），是改进其性能的有利工具。它们可以解决中红外液相光谱在实际应用中的问题，并能够探测远超过几微米的样本膜厚度，从而实现简化和更具鲁棒性的样本处理。

与之前报道的文献中首次实验已经解决的传感器特异性和灵敏度相比，本论文的作者们想证实一个设想，表明在两个额外的关键特性上取得了重大进展：

（i）动态过程，如化学反应或构象变化中的那些发现，即分子三维结构的结构变化，揭示了重要的特征，必须以高时间分辨率对其进行分析，以便进行充分的研究。用于无标记实时测量的原位传感器是监测这些分析物变化的理想工具，完全避免了耗时的离线分析。

（ii）芯片上分析微量液体的能力通过传感器小型化实现了用于实际应用的检测方案。这包括在线测量微升样本，仅对化学过程产生最小的干扰。

在本论文研究中，作者们提出了下一代、完全集成和鲁棒的芯片级中红外传感器，适用于在线测量溶液中的分子动力学。指尖大小（<5×5mm²）的器件采用了量子级联技术，将发射器、传感部分和探测器结合在同一个芯片上。他们利用光学有限元（FEM）仿真分析了传感器的性能，从理论上证实了其在液体环境中原位监测的适用性。利用D2O环境中的牛血清白蛋白（BSA）样本，他们在研究中进行了两种类型的测量：确定传感器校准线；并进行热变性实验，监测蛋白质二级结构的相关变化。定量测量实验揭示了其在传感器线性，浓度覆盖范围（从0.075mg ml⁻¹到92mg ml⁻¹）和吸光度（比最先进的大型离线参考系统高55倍）方面的优异性能。

图2 热变性测量实验设置