微流控光學(xué)檢測(cè)技術(shù)
微流體技術(shù)需要合適的檢測(cè)技術(shù)以便以靈敏且可擴(kuò)展的方式分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最常見(jiàn)的方法是光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，電化學(xué)檢測(cè)，機(jī)械分析，光譜學(xué)方法（拉曼光譜，核磁共振光譜）和質(zhì)譜（MS）。
1.用于微流體的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)
可以基于光學(xué)方法，成像系統(tǒng)或鏡頭的來(lái)完成幾種光學(xué)檢測(cè)技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，檢測(cè)系統(tǒng)可分為片外（或自由空間系統(tǒng)），其中檢測(cè)組件（光源，鏡片和檢測(cè)器）未集成在微流體裝置內(nèi)，光在空氣中傳播，并集成（on-chip）設(shè)備。Optofluidic技術(shù)源于微光學(xué)和微流體的整合。無(wú)透鏡成像可以通過(guò)無(wú)透鏡技術(shù)進(jìn)行。此外，新興的成像技術(shù)使用納米粒子標(biāo)簽和納米工程材料進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。
常規(guī)和片外成像方法（OFF-CHIP IMAGING）
使用顯微鏡等散裝系統(tǒng)干涉儀仍然普遍存在，因此微流控已廣泛應(yīng)用于bright-field, phase-contrast, confocal and DIC microscopy以及干涉儀。除光學(xué)檢測(cè)外，還可以通過(guò)ATR-FTIR光譜法進(jìn)行化學(xué)成像。由于儀器系統(tǒng)與微流體平臺(tái)耦合的便攜性，光學(xué)檢測(cè)是主要的檢測(cè)技術(shù)，然而這種裝置難以小型化并且由于光學(xué)路徑長(zhǎng)度短而顯示出低的靈敏度。由于光學(xué)器件的快速發(fā)展，光學(xué)檢測(cè)現(xiàn)在提供了使用LED，激光器，二極管作為光源，微透鏡，波導(dǎo)和用于檢測(cè)的光纖以及PMTs，CCDs和CMOS作為傳感器。
圖2.使用倒置顯微鏡和PMT檢測(cè)器在單個(gè)紅細(xì)胞分析中進(jìn)行微流控芯片電泳。
集成成像方法（芯片上成像-ON-CHIP IMAGING）
在片上成像系統(tǒng)中，光學(xué)和光電元件完全集成在微流體平臺(tái)中。與芯片外設(shè)備相比，這些系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立于操作員，增加了便攜性，靈敏度，集成度和調(diào)整光學(xué)特性的能力。此外，片上成像可以通過(guò)無(wú)影像技術(shù)進(jìn)行，如陰影成像或數(shù)字在線全息（shadow imaging or digital inline holography）。
2.微流控應(yīng)用的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)
最常見(jiàn)的成像技術(shù)見(jiàn)如下表格。基于分析物，這些技術(shù)可用于分析生物化學(xué)（蛋白質(zhì)檢測(cè)，細(xì)胞計(jì)數(shù)，酶動(dòng)力學(xué)），POCT，細(xì)胞生物學(xué)，免疫分析檢測(cè)以及篩選應(yīng)用和液體操作。它廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域，還擴(kuò)展到工業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域。
Technique | Principle | Properties |
Absorbance | Measure of the attenuation of incident radiation in function of the wavelength | Simple instrumentationLow sensitivity |
Fluorescence | Measure of emission light from a fluorophore | High sensitivityHigh selectivityEase of incorporation |
LIF and LEDIF | Excitation is caused by a laser or LED source | Focus on small volumes and low reagents amountsSingle molecule detection |
Chemiluminescence | Measure of energy release in a chemical reaction | High sensitivity and portabilityDoes not require a light sourceLimited number of reagentsPoor reproducibility |
SPR | Measure of refractive index change of a sample in contact with a metal film | High sensitivityComplex and expensive instrumentation |
Interferometers-based techniques | Measure of the phase shift caused by the analyte binding | High sensitivityLabel-free |
SERS | Measure of plasmonic effect of metal substrates or nanoparticles | High reliability and reproducibilityHigh sensitivity |
表1.最擴(kuò)散的光學(xué)技術(shù)列表，它們的工作原理和特性
3.用于微流體的光學(xué)檢測(cè)組件
光源
LED和微型二極管激光器因可用性和低成本已經(jīng)廣泛用于微流體裝置中，而有機(jī)LED（OLED）和染料激光器因易于完全集成在其中及其多功能性是當(dāng)前文獻(xiàn)中使用最廣泛的光流體光源。
圖3.嵌入式光纖在蛋白質(zhì)免疫測(cè)定中用于熒光測(cè)量的用途
光學(xué)元件增加檢測(cè)
標(biāo)準(zhǔn)方法是使用光纖，因?yàn)楣饫w既可以傳輸又可以檢測(cè)，易于獲得并且適合與其他光學(xué)組件組合。通過(guò)引入微透鏡和波導(dǎo)可以改善吸光度，熒光和干涉測(cè)量。波導(dǎo)可以歸類為漸逝波，如液晶波導(dǎo)（LCW）；基于干涉，如 photonic crystals ARROWs detectors。
圖4.用于聚焦和掃描的聚合物微透鏡
檢測(cè)器
可以通過(guò)使用各種不同的檢測(cè)器來(lái)執(zhí)行光學(xué)檢測(cè); 傳統(tǒng)的是PMT，CCD傳感器，其中CCD也允許執(zhí)行多路復(fù)用。集成探測(cè)器通常是光電二極管（硅或有機(jī)OPD）和CMOS傳感器，也允許無(wú)透鏡成像。
4.微流體光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的新前景
隨著對(duì)廉價(jià)、自動(dòng)化、功能強(qiáng)大和可移植的平臺(tái)的需求日益增長(zhǎng)，需要靈敏且可擴(kuò)展的光學(xué)檢測(cè)器。如Myers等人所述，可以在納米工程探針中識(shí)別出一類新的成像探測(cè)器，如量子點(diǎn)（QDs），納米粒子和生物傳感器。有趣的是，通過(guò)使用智能手機(jī)相機(jī)作為光源和探測(cè)器，開(kāi)發(fā)基于智能手機(jī)的微流體平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)快速，低成本和簡(jiǎn)單的分析。此外，已經(jīng)努力開(kāi)發(fā)具有基于高速光學(xué)技術(shù)和nanoscopy 的成像系統(tǒng)的平臺(tái)，以超越傳統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)方法的空間和時(shí)間限制。
圖5.用于免疫傳感應(yīng)用的QDs的示意熒光圖像和發(fā)射光譜
詞匯：ARROW, antiresonant reflecting optical waveguides; CCD, charge-coupled device, CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor; LCW, liquid-core waveguide; LED, light-emitting diode; LEDIF, LED-induce fluorescence LIF, laser-induced fluorescence; OPD, organic photodiode; PC, photonic crystal; PMT photomultiplier tube; POC, point-of-care; SERS, surface enhanced Raman spectroscopy; SPR surface plasmon resonance.
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