液晶液滴制備及其在生物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

楊秀秀，田 藝，楊忠強(qiáng)

（清華大學(xué) 化學(xué)系 有機(jī)光電子與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 引 言

液晶是介于液態(tài)和晶態(tài)之間的一種特殊物質(zhì)形態(tài)，它既具有液態(tài)的流動(dòng)性，又具有晶態(tài)的取向性，呈現(xiàn)光電學(xué)各向異性［1］。1998年，美國(guó)威斯康星-麥迪遜大學(xué)Nicholas L.Abbott課題組首次提出了液晶生物傳感概念［2］。其檢測(cè)原理在于液晶分子具有較大的長(zhǎng)徑比，可以形成長(zhǎng)程有序的取向，而目標(biāo)物會(huì)誘導(dǎo)局部液晶分子發(fā)生取向轉(zhuǎn)變，繼而被體相液晶放大至微米級(jí)別，在偏光顯微鏡下傳導(dǎo)為肉眼可見的光學(xué)信號(hào)。例如，呈現(xiàn)特異的顏色、亮度和圖案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的檢測(cè)［3-5］。液晶獨(dú)特的光學(xué)特性使其在開發(fā)簡(jiǎn)單、便攜、免標(biāo)記、免復(fù)雜儀器檢測(cè)方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。目前常用的液晶生物傳感器根據(jù)使用液晶體系的不同主要分為3類：基于液晶-固體界面、液晶-水相界面和液晶液滴的生物傳感器［6-7］。相較前兩類體系，基于液晶液滴體系發(fā)展較晚，但因液滴具有較大的比表面積，加之液晶液滴獨(dú)特的取向變化和光學(xué)性質(zhì)，使其獲得與日俱增的關(guān)注。本文綜述了液晶液滴制備的研究進(jìn)展及其在生物檢測(cè)應(yīng)用中的成果和發(fā)展趨勢(shì)。

2 液晶液滴的取向

液晶檢測(cè)常用的小分子液晶為4-氰基-4’-戊基聯(lián)苯（5CB），如圖1（a）所示，這是因?yàn)?CB在室溫下具有向列相，并且市售易獲得。液晶液滴有兩種常見取向，例如在液滴兩極出現(xiàn)點(diǎn)缺陷的兩極取向和液滴中心出現(xiàn)點(diǎn)缺陷的徑向取向，其取向示意圖如圖1所示［8］。已有研究表明，液晶液滴的大小會(huì)顯著影響液晶液滴的點(diǎn)缺陷和取向，對(duì)于直徑大于3 μm的液晶液滴，呈現(xiàn)兩極取向（圖1（b）~（d））；而對(duì)于直徑約為700 nm的小液晶液滴，呈現(xiàn)徑向取向（圖1（e）~（g））［8］。另一方面，一些化學(xué)和生物物質(zhì)在液晶液滴表面的吸附和反應(yīng)可能改變液晶液滴表面錨定能和內(nèi)部液晶彈性能，誘導(dǎo)液晶液滴取向發(fā)生轉(zhuǎn)變［6］。例如，當(dāng)兩親分子在液晶表面吸附，液晶液滴會(huì)發(fā)生由兩極取向至徑向取向的轉(zhuǎn)變［8-9］。使用偏光顯微鏡或者流式細(xì)胞儀對(duì)液晶液滴兩極和徑向取向的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。

圖1 液晶分子結(jié)構(gòu)及液晶液滴取向示意圖。（a）液晶5CB的分子結(jié)構(gòu)；（b）、（c）兩極取向，（e）、（f）徑向取向及兩種取向?qū)?yīng)的示意圖（d）、（g）；（b）、（e）液晶液滴在偏光顯微鏡下的圖像；（c）、（f）液晶液滴在明場(chǎng)下的光學(xué)顯微圖像。比例尺為5 μm［8］。Fig.1 Structure of liquid crystal（LC）molecule and ori?entation of LC droplets.（a）Molecule structure of 5CB；（b，c）Bipolar orientation，（c，f）radial orien?tation and their corresponding schematic figures（d）and（g）；（b），（e）Polarized light microscopy images；（c），（f）Bright field optical microscopy images.The scale is 5 μm［8］.

值得一提的是，液晶液滴的取向受尺寸大小影響，并且液晶液滴尺寸具有均一性是保證液晶液滴取向發(fā)生同步轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，所以液晶液滴的制備方法會(huì)影響其檢測(cè)性能。另外，由于液晶分子本身對(duì)目標(biāo)物不具有特異識(shí)別能力，因此，需要對(duì)液晶液滴表面進(jìn)行特殊修飾，賦予其特異響應(yīng)性。綜上，如何可控制備具有精確尺寸和表面化學(xué)的液晶液滴成為提高液晶液滴傳感器檢測(cè)性能的關(guān)鍵。

3 液晶液滴的制備

3.1 超聲法制備液晶液滴

2006年，Nicholas L.Abbott課題組首次報(bào)道了利用超聲的方法，實(shí)現(xiàn)了液晶液滴的制備［10］。將5CB和水溶液按1∶100體積比混合，10 W超聲處理60 s，即得到了液晶液滴乳液。該工作選取純水和帶正電荷的磷脂水溶液（700 μmol/L 1，2-二月桂酰基-sn-甘油基-3-乙基磷酸膽堿（DLEPC））作為分散劑，所用物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。由此制備的液晶液滴乳液分別記作5CB-H2O和5CB-DLEPC。

上述得到的液晶液滴，尺寸范圍為1~10 μm。在5CB-H2O液滴界面上的液晶分子維持平行取向，液晶液滴呈現(xiàn)兩極取向（圖2（b））。而對(duì)于分散劑為兩親分子DLEPC的液晶液滴體系，DLEPC的疏水烷基鏈可以插入液晶相中，誘導(dǎo)液晶分子形成垂直于界面的取向，使液滴呈現(xiàn)徑向取向（圖2（c））。另外，一些體積較大、且自身有強(qiáng)組裝作用的兩親分子，為促進(jìn)其在液晶液滴表面的吸附，有報(bào)道采用大功率的針尖超聲法混合處理液晶和兩親分子，獲取尺寸范圍在1~5 μm的兩親分子修飾的液晶液滴［11-12］?？傊暦ㄖ苽湟壕б旱?，操作簡(jiǎn)單，但是液晶液滴尺寸不夠均一。

圖2 （a）DLEPC的結(jié)構(gòu)式；（b）5CB-H2O液晶液滴和（c）5CB-DLEPC液晶液滴的取向示意圖和光學(xué)顯微照片。比例尺為2 μm［10］。Fig.2（a）Structure of DLEPC；Schematic illustrations and optical micrographs of（b）5CB-H2O emulsions and（c）5CB-DLEPC emulsions.The scale bar is 2μm［10］.

3.2 超聲渦流法制備液晶液滴

為了提高液晶液滴的尺寸單分散性，2011年，Nicholas L.Abbott課題組利用連續(xù)超聲和渦流處理制備液晶液滴［9］。首先將2~10 μL液晶加入到1 mL緩沖溶液中，進(jìn)行10 s的超聲處理，然后在2 500 r/min的渦流條件下處理10 s，經(jīng)過(guò)12個(gè)循環(huán)后即得到乳白色液晶液滴乳液。該體系中的液晶液滴具有兩極取向，直徑大約4~8 μm。該方法與之前方法相比，所獲得的液晶液滴均一性有所提高，且操作相較于后續(xù)介紹的微流控和膠囊模板法簡(jiǎn)單，但仍未能達(dá)到尺寸單分散分布。

3.3 微流控法制備液晶液滴

隨著微流控技術(shù)的逐漸發(fā)展，使用微流控法制備液晶液滴的技術(shù)也獲得越來(lái)越多的關(guān)注。早在2000年，美國(guó)西北大學(xué)David A.Weitz課題組首次實(shí)現(xiàn)利用簡(jiǎn)易微流控裝置制備出液晶液滴［13］。2011年，韓國(guó)慶北大學(xué)Soo-Young Park課題組利用改進(jìn)的微流控法成功制備出用于生物檢測(cè)相關(guān)的液晶液滴，其微流控裝置如圖3所示［14］。該工作使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%聚（1丙烯酸-b-4-氰基聯(lián)苯-4-氧十一烷基丙烯酸酯）（PAA-b-LCP）溶液作為連續(xù)相，5CB作為分散相。連續(xù)相從兩側(cè)通道進(jìn)入，分散相由中間通道進(jìn)入，兩相在交匯處相遇，形成由PAA-b-LCP包裹的液晶液滴（圖3（a））。通過(guò)控制連續(xù)相和分散相的流速，則能得到具有不同尺寸（33~50 μm）且尺寸較均一的液晶液滴（圖3（b）~（d））。

圖3 （a）利用微流控裝置得到液晶液滴的示意圖；在控制通道內(nèi)連續(xù)相的流速為（b）0.2、（c）0.15和（d）0.1 mL·h-1和分散相流速為0.01 mL·h-1條件下得到液晶液滴的圖像。比例尺為100 μm［14］。Fig.3（a）Schematic illustration of the formation of LC droplets through microfluidic system；LC droplets in the channel were made at flow rates of（b）0.2，（c）0.15，and（d）0.1 mL·h-1 of the continuous phase with a constant flow rate of the dispersed phase of 0.01 mL·h-1.Scale bar is 100 μm［14］.

綜上所述，微流控法制得的液晶液滴尺寸可調(diào)、分散窄，同時(shí)微流控技術(shù)具有快速分析、易集成和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，使其在液晶傳感領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景［15］。但是，在微流控體系中，液體的流動(dòng)會(huì)對(duì)液晶取向產(chǎn)生干擾。其次，微流控方法仍然難以制備小尺寸液晶液滴（<10 μm）。

3.4 膠囊模板法制備液晶液滴

針對(duì)缺乏精確可控制備小尺寸（<10 μm）單分散液晶液滴的方法，以及裸露的液晶液滴存在聚并和粘附等問(wèn)題，在2008年，澳大利亞墨爾本大學(xué)Frank Caruso課題組報(bào)道了一種基于層層自組裝模板法制備液晶液滴的策略，實(shí)現(xiàn)了小尺寸液晶液滴的可控制備［16］。

首先以直徑約為5 μm的二氧化硅顆粒為模板，將其表面接枝3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTS）實(shí)現(xiàn)胺官能化修飾。隨后，將聚電解質(zhì)多層膜（PEMs）層層組裝到APTS官能化的二氧化硅顆粒表面。之后，利用氫氟酸將二氧化硅顆?？涛g掉，得到空心的PEMs膠囊。最后，將5CB滲透到PEMs膠囊中，即得到了PEMs包裹的液晶液滴（圖4（a））。

該工作研究了兩種類型的PEMs膠囊：聚（4-苯乙烯磺酸鈉）（PSS）和聚烯丙胺鹽酸鹽（PAH）組成的PEMs，及聚甲基丙烯酸（PMA）和聚乙烯基吡咯烷酮（PVPON）組成的PEMs。因?yàn)锳PTS官能化的二氧化硅帶正電荷，因此，首先使用帶負(fù)電荷的陰離子聚電解質(zhì)（PSS或PMA）作為第一層，PAH或PVPON作為第二層，以此類推，層層組裝。該方法可通過(guò)改變二氧化硅模板的大小，得到納米/毫米尺寸的單分散液晶液滴。另外，PMA/PVPON層還可以通過(guò)暴露在pH 7.5的溶液中破壞體系中氫鍵，以去除PEMs層，得到“裸”液晶液滴（圖4（b）、（c））。

圖4 （a）用于制備單分散液晶液滴的方法示意圖；（b）由二氧化硅顆粒模板制備的5CB-填充的（PMA/PVPON）4膠囊和（c）將PMA/PVPON層解組裝后獲得的5CB液滴在明場(chǎng)下的光學(xué)顯微照片［16］。Fig.4（a）Schematic representation of the procedure used to prepare monodisperse emulsion droplets；Bright field optical micrograph of（b）5CB-filled（PMA/PVPON）4 capsules made from silica particles tem?plates and（c）naked 5CB droplets obtained after disassembly of PMA/PVPON layers［16］.

該工作首次提出具有尺寸和表面化學(xué)可控的液晶液滴制備方法。液晶液滴表面包裹的半滲透性膠囊殼既可以阻止液滴聚并，又可以通過(guò)官能化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液晶液滴的定點(diǎn)錨定?；赑EM選擇的多樣性，該制備方法有助于后續(xù)生物響應(yīng)性液晶液滴傳感器的設(shè)計(jì)。

3.5 超重力技術(shù)制備液晶液滴

上述液晶液滴的制備方法均受限于小量的實(shí)驗(yàn)體系，不能滿足尺寸小、分布窄液晶液滴大量制備的需求。為此，在2017年，中國(guó)清華大學(xué)Zhongqiang Yang課題組提出利用超重力技術(shù)實(shí)現(xiàn)大量、單分散液晶液滴快速、簡(jiǎn)易的制備［17］。利用超重力機(jī)制備液晶液滴的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。其工作原理是在超重力環(huán)境中，使兩相在多孔介質(zhì)或孔道中產(chǎn)生流動(dòng)接觸，利用由此形成的巨大剪切力將液體撕裂成微納米級(jí)的膜、絲和滴，并不斷重復(fù)該過(guò)程，直至形成粒徑約為950 nm的液晶液滴。該方法與上述幾種制備方法相比，可以保證液晶液滴具有較好的均一性，制備出大量液晶液滴。該工作為液晶液滴的簡(jiǎn)易、可控制備提供了一個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)，有望滿足液晶液滴乳液領(lǐng)域工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

圖5 超重力機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及其制備出的液晶5CB液滴的偏光圖像［17］Fig.5 Schematic illustration of the high gravity equip?ment setup and 5CB droplets prepared by high gravity technique under polarized light［17］

4 液晶液滴生物傳感器的檢測(cè)應(yīng)用

對(duì)于液晶液滴，一些兩親分子在液晶液滴的吸附可以誘導(dǎo)液晶液滴發(fā)生由兩極取向至徑向取向的轉(zhuǎn)變，此時(shí)，若向體系中加入可以將兩親分子解組裝的分子，則液晶液滴會(huì)出現(xiàn)由徑向取向至兩極取向的轉(zhuǎn)變［18］。利用上述液晶液滴的取向轉(zhuǎn)變，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)物的檢測(cè)。例如，目前通過(guò)液晶液滴生物傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)以及生物分子間相互作用的檢測(cè)［9，19-23］。

4.1 液晶液滴檢測(cè)和區(qū)分細(xì)菌和病毒

2009年，Nicholas L.Abbott課題組報(bào)道了利用液晶液滴實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型的細(xì)菌（革蘭氏陰性和陽(yáng)性細(xì)菌）和病毒（包膜和非包膜型）的檢測(cè)區(qū)分［19］。該工作中使用PMA/PVPON膠囊模板法制備得到液晶液滴，隨后通過(guò)將液滴置于pH 7.5的溶液中除去PMA/PVPON外殼，得到尺寸約為4.7 μm的裸液晶液滴。研究發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，當(dāng)裸液晶液滴與大腸桿菌（革蘭氏陰性細(xì)菌）和A/NWS/Tokyo/67（包膜型病毒）接觸后，會(huì)發(fā)生由兩極取向至徑向取向的轉(zhuǎn)變（圖6（a）、（c）和（f））；而當(dāng)液晶液滴與枯草芽孢桿菌和黃體微球菌（革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌）以及M13輔助噬菌體（非包膜型病毒）接觸后，液晶液滴保持兩極取向（圖6（b）、（d）、（e）和（g））。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)革蘭氏陰性細(xì)菌和包膜型病毒與液晶液滴接觸后，其表面的兩親性磷脂會(huì)遷移并吸附到液晶液滴表面，由此誘導(dǎo)液晶液滴發(fā)生取向轉(zhuǎn)變。該體系中的液晶液滴可以靈敏地響應(yīng)出濃度低至104pfu·mL-1的病毒。該研究結(jié)果為檢測(cè)、區(qū)分細(xì)菌和病毒提供了一種新方法。

圖6 病毒和細(xì)菌與裸液晶液滴相互作用以及對(duì)應(yīng)液晶液滴取向的示意圖。（a）徑向取向；（b）兩極取向；在偏光顯微鏡下，液晶液滴與（c）大腸桿菌、（d）枯草芽孢桿菌、（e）黃體微球菌、（f）A/NWS/Tokyo/67病毒和（g）M13輔助噬菌體接觸后的圖像［19］。Fig.6 Schematic of the interaction of viruses or bacteria with naked liquid crystal emulsions.The cartoons depict of（a）radial and（b）bipolar configurations of LC droplets；Polarized light microscopy image of naked 5CB droplets with（c）E.coli.，（d）B.subtilis，（e）M.luteus，（f）A/NWS/Tokyo/67 and（g）M13 helper phage［19］.

2011年Nicholas L.Abbott課題組進(jìn)一步提出利用液晶液滴對(duì)大腸桿菌內(nèi)毒素進(jìn)行實(shí)時(shí)、高靈敏的檢測(cè)［9］。內(nèi)毒素是一種存在于革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁中的細(xì)菌脂多糖，對(duì)宿主具有毒性，其主要成分為磷脂A（圖7（a））。當(dāng)前通常使用“鱟試劑”方法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)毒素的檢測(cè)，但是該方法重復(fù)性差且危害鱟生物資源等。

圖7 （a）內(nèi)毒素的主要組成磷脂A；（b）、（c）液晶液滴在無(wú)內(nèi)毒素時(shí)，分別處于明場(chǎng)和偏振光下的顯微圖像及其（d）對(duì)應(yīng)的兩極取向示意圖，紅色箭頭表示液晶液滴在液晶-水相界面處的缺陷；（e）和（f）在含有1 μg/mL內(nèi)毒素的溶液中，液晶液滴分別處于明場(chǎng)和偏振光下的顯微圖像及其（g）對(duì)應(yīng)的徑向取向示意圖［9］。Fig.7（a）Lipid A portion of endotoxin；（b）Bright-field and（c）polarized light micrographs of an LC droplet in endotox?in-free water and（d）corresponding schematic illustration of the bipolar configuration.The red arrows indicate boojums at the aqueous-LC interface of the droplet；（e）Bright-field and（f）polarized light micrographs of an LC droplet after exposure to endotoxin from E.coli（1 μg/mL）in water and corresponding（g）schematic illustration of the radial configuration［9］.

為解決上述問(wèn)題，該工作通過(guò)超聲渦流法制備得到直徑為4~8 μm的液晶液滴，其在明場(chǎng)和偏光顯微鏡下呈現(xiàn)兩極取向（圖7（b）~（d））。隨后在水中加入濃度為1 μg·mL-1來(lái)自大腸桿菌的內(nèi)毒素后，液晶轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛉∠颍▓D7（e）~（g））。該研究還發(fā)現(xiàn)液晶液滴的尺寸在大腸桿菌內(nèi)毒素誘導(dǎo)液晶液滴由兩極缺陷至中心缺陷的轉(zhuǎn)變起著重要的作用。其中，直徑大于10 μm的液晶液滴對(duì)pg·mL-1濃度下內(nèi)毒素的存在不敏感，維持兩極缺陷；而直徑處于2~6 μm區(qū)間的液晶液滴對(duì)pg·mL-1濃度下的內(nèi)毒素取向轉(zhuǎn)變響應(yīng)率超過(guò)90%。進(jìn)一步通過(guò)使用氟化硼二吡咯（BODIPY）標(biāo)記大腸桿菌內(nèi)毒素的方法證實(shí)了內(nèi)毒素位于液晶液滴的中心缺陷處，并且在短短數(shù)十秒內(nèi)，液晶液滴表面的磷脂A即可遷移至液滴中心。這表明液晶取向的轉(zhuǎn)變是由大腸桿菌內(nèi)毒素在液滴缺陷處驅(qū)動(dòng)的。該方法對(duì)大腸桿菌內(nèi)毒素的檢測(cè)靈敏度，比由表面錨定能量變化驅(qū)動(dòng)液晶取向轉(zhuǎn)變的液晶-水相平面體系高出6個(gè)數(shù)量級(jí)。并且，與鱟試劑法相比，該工作利用液晶液滴檢測(cè)內(nèi)毒素，具有免標(biāo)記、快速、生態(tài)友好且易操作等優(yōu)點(diǎn)［24］。

上述液晶液滴體系檢測(cè)的大腸桿菌需要使用偏光顯微鏡對(duì)大量單個(gè)液晶液滴進(jìn)行成像觀察，該過(guò)程繁瑣且耗時(shí)。因此，2021年Nicholas L.Abbott課題組與美國(guó)威斯康辛-麥迪遜大學(xué)Victor M.Zavala課題組合作，將液晶液滴傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)毒素不同細(xì)菌來(lái)源的分類及定量［25］。來(lái)自不同細(xì)菌的內(nèi)毒素可能具有不同的磷脂A結(jié)構(gòu)，例如來(lái)自銅綠假單胞菌、大腸桿菌和明尼蘇達(dá)沙門氏菌的磷脂A分別具有5條、6條或7條疏水的碳鏈。內(nèi)毒素的不同結(jié)構(gòu)會(huì)影響液晶液滴的取向轉(zhuǎn)變行為，由此導(dǎo)致液晶取向變化帶來(lái)的光側(cè)散射強(qiáng)度和前向散射強(qiáng)度不同。通過(guò)流式細(xì)胞儀測(cè)量液晶液滴的光散射數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在8個(gè)數(shù)量級(jí)（0.01 pg·mL?1~1 μg·mL?1）范圍內(nèi)對(duì)細(xì)菌來(lái)源的分類和內(nèi)毒素濃度的定量，有望應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)。該工作不僅提供了一種簡(jiǎn)單、精確的內(nèi)毒素檢測(cè)方法，而且將液晶體系與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效、精確的數(shù)據(jù)處理［26-27］。

2020年，美國(guó)威斯康辛-麥迪遜大學(xué)David M.Lynn課題組報(bào)道了利用液晶液滴實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)和毒性的監(jiān)測(cè)［20］。許多細(xì)菌往往通過(guò)化學(xué)信號(hào)實(shí)現(xiàn)群體感應(yīng)來(lái)調(diào)整群體行為，這些化學(xué)信號(hào)的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)會(huì)隨著細(xì)菌群落的尺寸成比例增加。因此，若能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定細(xì)菌化學(xué)信號(hào)的檢測(cè)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌群體感應(yīng)和毒性的監(jiān)測(cè)。該工作以致病性革蘭氏陰性細(xì)菌銅綠假單胞菌產(chǎn)生的具有兩親性的化學(xué)信號(hào)分子N-酰基-l-高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）為研究對(duì)象，探索液晶液滴對(duì)其響應(yīng)性。首先通過(guò)渦流法制備得到尺寸小于10 μm的液晶液滴，隨后利用流式細(xì)胞儀測(cè)量液晶液滴側(cè)散射強(qiáng)度與前向散射強(qiáng)度來(lái)確定液晶液滴取向。研究發(fā)現(xiàn)AHL可以吸附在液晶液滴表面，誘導(dǎo)液晶發(fā)生由兩極取向至徑向取向的轉(zhuǎn)變（圖8（a）），表明液晶液滴可以對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)培養(yǎng)物產(chǎn)生的AHL做出響應(yīng)性。隨著細(xì)菌產(chǎn)生AHL的量不斷增加，發(fā)生取向改變的液晶液滴百分比也不斷增加（圖8（b））。該研究結(jié)果表明，液晶液滴體系為細(xì)菌群體感應(yīng)和毒性的檢測(cè)以及細(xì)菌群落的原位監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新平臺(tái)。

圖8 （a）利用液晶液滴實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌群體感應(yīng)檢測(cè)的示意圖；（b）液晶液滴在37°C下培養(yǎng)6 h（白色條帶）、12 h（黑色條帶）和24 h（灰色條帶）90 min后從兩極取向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛉∠虻陌俜直?。第I-VI列顯示了使用LB培養(yǎng)基對(duì)照（I）或使用指定菌株和條件的結(jié)果。結(jié)果是3個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的平均值［20］。Fig.8（a）Schematic illustration of using LC droplets to sense bacterial quorum；（b）Percentage of LC drop?lets transformed from bipolar to radial after 90 min of incubation with cultures grown at 37 °C for 6 h（white bars），12 h（black bars），and 24 h（gray bars）.Columns I~VI show results of using an LB medium control（I）or using the indicated bacterial strains and conditions.Results are the average of 3 independent experiments［20］.

4.2 液晶液滴檢測(cè)酶活性

2009年，Nicholas L.Abbott課題組利用磷脂L-二棕櫚酰磷脂酰膽堿（L-DLPC）修飾的液晶液滴實(shí)現(xiàn)對(duì)磷脂酶A2（PLA2）的酶活性檢測(cè)［28］。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖9所示，首先通過(guò)模板法制備了直徑約為8.0 μm的液晶液滴，然后兩親性磷脂自發(fā)吸附到液晶液滴表面，誘導(dǎo)液晶液滴由兩極取向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛉∠?。再將上述L-DLPC修飾的液晶液滴與PLA2混 合 后，PLA2將L-DLPC水解導(dǎo)致其在液晶液滴表面解吸附，引起液晶液滴發(fā)生由徑向到兩極取向的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLA2酶活性的檢測(cè)。與之前報(bào)道的基于液晶-水相平面界面的檢測(cè)體系相比，液晶液滴體系對(duì)PLA2的響應(yīng)速度提高了約5倍［21］。

圖9 （a）L-DLPC修飾的5CB液滴（直徑8.0 μm）分散在TBS緩沖液（pH 8.9，5 mmol/L CaCl2）中，與1 nmol/L濃度的PLA2接觸，經(jīng)歷從徑向到兩極取向轉(zhuǎn)變的示意圖；（b）、（c）液晶液滴在與1 nmol/L PLA2接觸后，取向轉(zhuǎn)變過(guò)程中在明場(chǎng)和偏光顯微鏡下對(duì)應(yīng)的圖像［28］。Fig.9（a）Schematic illustration of process by which L-DLPC-decorated 5CB droplets（diameter of 8.0 μm）dispersed in TBS buffer（pH 8.9，5 mmol/L CaCl2）in contact with 1 nmol/L con?centration of PLA2 undergo anchoring transitions from radial to bipolar configurations；（b），（c）Cor?responding bright-field，and polarized images indi?cated changes in the optical appearance of the LC droplets in contact with 1 nmol/L PLA2［28］.

2014年，中國(guó)淡江大學(xué)Chih-Hsin Chen課題組報(bào)道了利用寡肽修飾的液晶液滴檢測(cè)蛋白酶活性［29］。該工作首先設(shè)計(jì)了含有酶切位點(diǎn)的兩親性寡肽，讓其吸附在液晶液滴表面，誘導(dǎo)液晶液滴形成徑向取向。隨后將液滴與蛋白酶接觸，酶解作用破壞了兩親性寡肽在液晶液滴表面的吸附，導(dǎo)致液滴恢復(fù)兩極取向，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)α-糜蛋白酶和胰蛋白酶等絲氨酸蛋白酶的檢測(cè)。2019年，Zhongqiang Yang課題組報(bào)道了通過(guò)設(shè)計(jì)兩親性多肽，利用液晶液滴實(shí)現(xiàn)對(duì)胰蛋白酶的檢測(cè)［30］。該工作不僅為構(gòu)建多肽修飾的液晶液滴提供了簡(jiǎn)單、通用的方法，而且可以通過(guò)設(shè)計(jì)合成特定多肽序列，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定酶活性以及生物分子間相互作用的檢測(cè)。

以上利用液晶液滴檢測(cè)酶活性的方法都是基于酶解反應(yīng)破壞兩親分子在液滴表面的吸附，誘導(dǎo)液晶液滴發(fā)生取向變化實(shí)現(xiàn)的。除此之外，還可以利用酶解反應(yīng)引起環(huán)境pH的變化，間接影響兩親分子在液晶液滴表面的吸附，進(jìn)而誘導(dǎo)液晶取向發(fā)生轉(zhuǎn)變。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溶血素、青霉素酶等酶活性的檢測(cè)［31-32］。

4.3 液晶液滴檢測(cè)蛋白及分子間相互作用

液晶液滴體系還可用于蛋白-蛋白相互作用的研究。2011年，新加坡國(guó)立大學(xué)Kun-Lin Yang課題組首次報(bào)道了將液晶液滴傳感器與抗原-抗體相互作用結(jié)合，實(shí)現(xiàn)蛋白免疫分析［22］。該工作選擇了抗人免疫球蛋白G（AIgG）和抗人血清白蛋白（AHSA）作為模型抗體。首先將液晶5CB與聚乙烯亞胺（PEI）溶液混合，通過(guò)渦流法制備尺寸約為61 μm的PEI修飾的液晶液滴。接著將戊二醛（GA）通過(guò)靜電作用吸附到包裹PEI的液晶液滴表面，以此引入后續(xù)固定抗體蛋白的醛基。最后將GA修飾的液晶液滴與一定濃度IgG或HSA混合培養(yǎng)一段時(shí)間，GA與蛋白形成酰胺鍵共價(jià)連接，即得到兩極取向的、IgG或HSA修飾的液晶液滴。兩親分子Tween 20可以吸附到液晶液滴表面，誘導(dǎo)液晶液滴呈現(xiàn)徑向取向（圖10（a））。

在Tween 20存在的條件下，將IgG修飾的具有徑向取向的液晶液滴與一定濃度的AIgG接觸后，IgG與AIgG的結(jié)合會(huì)干擾吸附在液滴表面的Tween 20，導(dǎo)致液晶液滴由徑向取向轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓸O取向（圖10（b）和（c））。而將IgG修飾的液晶液滴與AHSA接觸后，由于IgG與AHSA之間不會(huì)發(fā)生特異性結(jié)合，Tween 20依然穩(wěn)定地吸附在液晶液滴表面，液滴的徑向取向不會(huì)改變（圖10（d））。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)AHSA的檢測(cè)，則可選擇與其有特異性結(jié)合的HSA修飾的液晶液滴。以上實(shí)驗(yàn)通過(guò)液滴取向的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定蛋白的檢測(cè)，最低響應(yīng)濃度低至0.01 μg·mL-1AIgG和0.02 μg·mL-1AHSA。該工作首次提出利用液晶液滴實(shí)現(xiàn)蛋白免疫分析，與傳統(tǒng)需要蛋白質(zhì)標(biāo)記或復(fù)雜免疫分析儀器相比，該方法具有簡(jiǎn)單、免標(biāo)記的優(yōu)勢(shì)。后續(xù)研究將AIgG修飾在液晶液滴表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)IgG的檢測(cè)［33-34］。上述工作表明，通過(guò)選擇合適的抗原、抗體，利用液晶液滴傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)一系列蛋白的特異性檢測(cè)，為開發(fā)簡(jiǎn)易、便攜式和低成本的免疫分析提供了新平臺(tái)。

圖10 （a）對(duì)液晶液滴進(jìn)行化學(xué)修飾和蛋白固定的示意圖；IgG修飾的液晶液滴在加入AIgG（b）之前和（c）之后，以及（d）加入AHSA之后，在偏光顯微鏡下的圖像［22］。Fig.10（a）Schematic illustration of the LC droplet dur?ing chemical functionalization and protein immo?bilization；Polarized light images of LC droplets：IgG-LC droplets（b）before and（c）after the ad?dition of AIgG，（d）IgG-LC droplets after the addition of AHSA［22］.

2015年，Soo-Young Park課題組報(bào)道了利用微流控法制備PAA-b-LCP修飾的液晶液滴，用以研究抗生物素和生物素之間的相互作用［35］。后續(xù)還有利用液晶液滴研究膜相關(guān)細(xì)胞色素c與線粒體心磷脂之間相互作用的研究［36］。

目前，液晶液滴除了檢測(cè)特定蛋白、研究蛋白間相互作用，還可用來(lái)研究蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)。2019年，印度科學(xué)教育研究所Santanu K.Pal課題組報(bào)道了利用聚賴氨酸（PLL）修飾的液晶液滴研究纖維連接蛋白在液滴表面的不同二級(jí)結(jié)構(gòu)［23］。修飾在液晶液滴表面帶正電荷的PLL可以與帶負(fù)電荷的纖維連接蛋白產(chǎn)生一定的相互作用，誘導(dǎo)其發(fā)生二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，聚集形成纖維樣蛋白，同時(shí)伴隨著液滴由徑向到兩極取向的轉(zhuǎn)變。如果在體系中加入鈣離子，則可以阻斷纖維連接蛋白和PLL相互作用的位點(diǎn)，使得蛋白無(wú)法發(fā)生聚集，從而保持液晶液滴的兩極取向。該工作首次提出將液晶液滴體系用于研究蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化，不僅為蛋白質(zhì)的聚集化檢測(cè)提供了一個(gè)新的方法，還加深了蛋白在界面相互作用的理解。

4.4 細(xì)胞可穿戴的液晶液滴傳感器及細(xì)胞環(huán)境的檢測(cè)

2013年，Nicholas L.Abbott課題組首次報(bào)道了細(xì)胞可穿戴的液晶液滴傳感器［37］。

首先，制備直徑約為6.5 μm的PEI/聚（4，4-二甲基氮內(nèi)酯）（PVDMA）膠囊，隨后灌入液晶E7，即得到了部分填充的液晶膠囊。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明，單個(gè)細(xì)胞表面可以通過(guò)靜電作用沉積、吸附多個(gè)液晶膠囊。這些固定在細(xì)胞表面的液滴呈現(xiàn)兩極取向，加入50 μmol/L有細(xì)胞毒性的小分子陽(yáng)離子型表面活性劑溴化十六烷基三甲銨（HTAB）后，HTAB可以穿過(guò)膠囊外殼，吸附到液晶液滴表面，誘導(dǎo)液晶由兩極取向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛉∠颍▓D11）。上述結(jié)果表明，固定在細(xì)胞上的液晶膠囊可用于實(shí)時(shí)檢測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中是否存在細(xì)胞有害物質(zhì)，為在單細(xì)胞水平實(shí)時(shí)、局部監(jiān)測(cè)化學(xué)環(huán)境提供了新方法。

圖11 （a）將填充液晶的膠囊錨定到細(xì)胞上的示意圖；（b）、（c）加入HTAB后0和3 min時(shí)，液晶膠囊在偏光顯微鏡下的圖像，其中HTAB沿著左下方箭頭指示的方向緩慢擴(kuò)散。比例尺為10 μm（放大圖中比例尺為5 μm）［37］。Fig.11（a）Schematic illustration of LC-filled capsules are anchored to cells；Polarized light images of（b）and（c）capsule-decorated cells after 0 and 3 min addition of HTAB.Experiment in which HTAB was allowed to diffuse slowly along the direction indicated by arrows in lower left.Scale bars are 10 μm（5 μm for insets）［37］.

2019年，中國(guó)清華大學(xué)Jin-Ming Lin課題組在液晶E7中摻雜4-戊基-4’-聯(lián)苯羧酸（PBA），并封裝在PSS和聚烯丙基胺（PAAM）聚合物微膠囊中，得到尺寸為2~3 μm的液晶液滴［38］。然后將其固定在細(xì)胞上，用以研究人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞、骨髓瘤細(xì)胞、人原發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞、人結(jié)腸癌細(xì)胞和人乳腺癌細(xì)胞釋放NH3的情況。當(dāng)體系在生理pH下時(shí)，E7中摻雜的PBA會(huì)自組裝在液晶-水相界面上，脫質(zhì)子的羧基留在水相中，而疏水部分嵌入E7中，誘導(dǎo)液晶液滴形成徑向取向。然而當(dāng)體系中有NH3存在時(shí)，其與羧基的結(jié)合降低了液晶-水相界面的電荷密度，影響PBA在液晶液滴表面的組裝，從而誘導(dǎo)液晶液滴轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓸O取向。不同細(xì)胞釋放NH3的量不同，直接影響液晶液滴取向的轉(zhuǎn)變速度，因此該體系可用于區(qū)分細(xì)胞系和探索細(xì)胞異質(zhì)性。通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)，該方法可擴(kuò)展到細(xì)胞微環(huán)境中其他物質(zhì)的檢測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)研究中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

除了將液晶液滴固定在細(xì)胞表面，對(duì)細(xì)胞外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可將液晶液滴通過(guò)細(xì)胞內(nèi)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)［39］。2021年，David M.Lynn課題組報(bào)道了使用模板法制備尺寸約為5 μm、填充液晶E7的液晶液滴。隨后以HeLa細(xì)胞和3T3細(xì)胞作為模型細(xì)胞系，將液晶液滴加入細(xì)胞培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)3T3細(xì)胞可以將液晶液滴內(nèi)化。被內(nèi)化的液晶液滴未顯示出細(xì)胞毒性，并且液晶液滴可以維持兩極取向。在細(xì)胞外環(huán)境加入和除去表面活性劑Triton X-100后，細(xì)胞內(nèi)部的液晶液滴可以快速、可逆地進(jìn)行取向轉(zhuǎn)變的響應(yīng)。該工作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境提供了新思路和新平臺(tái)。

4.5 液晶液滴傳感器用于其他生物分子的檢測(cè)

2017年，Santanu K.Pal課題組研究了DNA與吸附在液晶液滴表面的PLL之間的相互作用，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA的檢測(cè)［40］。首先，通過(guò)超聲法，制備了尺寸約為10~40 μm的液晶液滴，PLL在液晶液滴表面吸附并誘導(dǎo)液晶液滴呈現(xiàn)徑向取向。隨后向其中加入單鏈或雙鏈DNA，DNA與PLL的靜電吸引作用可以進(jìn)一步誘導(dǎo)液晶液滴發(fā)生向兩極取向的轉(zhuǎn)變，其可能與DNA-PLL復(fù)合物的形成有關(guān)。該工作中構(gòu)建的液晶液滴傳感器雖然對(duì)DNA具有響應(yīng)性，但是由于DNA與PLL之間靜電吸引作用不具有特異性，因此體系無(wú)法區(qū)分DNA單、雙鏈，也無(wú)法利用DNA堿基互補(bǔ)配對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定序列DNA單鏈的檢測(cè)。

2022年，Zhongqiang Yang課題組將DNA納米技術(shù)的可編程性與液晶液滴的傳感特性相結(jié)合，構(gòu)建了具有特異響應(yīng)性的DNA修飾的液晶液滴［12］。首先將DNA與含有18個(gè)碳的疏水烷基鏈共價(jià)連接，得到兩親分子DNA-C18。隨后，通過(guò)大功率的針尖超聲法處理DNA-C18和液晶5CB的混合物，得到尺寸在1~5 μm DNA-C18修飾的液晶液滴。其中，DNA-C18的疏水烷基鏈插入液晶相中，親水的DNA向外伸展在水相溶液中。與以往報(bào)道的兩親分子誘導(dǎo)液晶液滴產(chǎn)生徑向取向不同，DNA-C18修飾后的液晶液滴仍保持兩極取向，其可能與DNA-C18在液晶液滴表面較低的修飾密度有關(guān)。利用DNA序列的可編程性，針對(duì)兩親分子DNA-C18中的DNA部分，該工作設(shè)計(jì)并合成了具有特異識(shí)別功能的DNA核酸適配體（DNA aptamer）序列，得到具有特異響應(yīng)性的液晶液滴。當(dāng)體系加入與DNA aptamer有特異作用的待檢測(cè)物后，DNA-C18修飾的液晶液滴發(fā)生聚集或者分散，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+、凝血酶和DNA酶等物質(zhì)的特異性檢測(cè)。結(jié)合DNA aptamer技術(shù)的發(fā)展，該體系有望對(duì)更多化學(xué)/生物分子進(jìn)行特異性檢測(cè)［41-42］。

2013年，Soo-Young Park課題組通過(guò)構(gòu)建具有pH響應(yīng)的、PAA-b-LCP修飾的液晶液滴，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的檢測(cè)［43］。由于PAA在不同pH下具有特定構(gòu)象，誘導(dǎo)PAA-b-LCP修飾的液晶液滴在pH較高時(shí)（pH=12）呈現(xiàn)徑向取向，而在pH較低時(shí)（pH=2）呈現(xiàn)兩極取向，實(shí)現(xiàn)液晶液滴對(duì)pH的響應(yīng)。將葡萄糖氧化酶（GOx）共價(jià)固定到PAA鏈上后，通過(guò)GOx氧化葡萄糖前后的pH變化帶來(lái)液晶光學(xué)信號(hào)的改變，即可實(shí)現(xiàn)在3 min內(nèi)對(duì)濃度低至0.03 mmol/L葡萄糖的檢測(cè)。該液晶傳感器與已有報(bào)道的針對(duì)葡萄糖檢測(cè)的其他生物傳感器相比，具有成本低、簡(jiǎn)單及光學(xué)信號(hào)肉眼可見等優(yōu)點(diǎn)，有望未來(lái)應(yīng)用于人體葡萄糖水平的監(jiān)測(cè)。

此外，液晶液滴傳感器還被用于檢測(cè)乙酰膽堿酯酶（AChE）抑制型農(nóng)藥［44-45］、膽酸［11，46-47］和尿素［48］等。

5 液晶液滴復(fù)合材料的制備及其在生物傳感中的應(yīng)用

為了提高傳統(tǒng)液晶液滴溶液體系的便攜性和材料成型問(wèn)題，2016年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)Jiyu Fang課題組將液晶液滴嵌入水凝膠膜材料中，通過(guò)引入水凝膠體系的成型性和生物分子可滲透性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肝臟和腸道疾病臨床診斷的生物標(biāo)志物脫氧膽酸（DCA）和膽酸（CA）的免標(biāo)記檢測(cè)［49］。

首先通過(guò)針尖超聲法得到尺寸在1~5 μm、殼聚糖（CHI）穩(wěn)定的5CB乳液。之后加入十四烷基硫酸鈉鹽（SC14S），其帶負(fù)電荷的親水頭通過(guò)靜電作用留在帶正電的CHI層中，而疏水尾部則插入液晶液滴中誘導(dǎo)液滴形成徑向取向。隨后將乳液灌注在玻璃基底上形成乳液膜，再將其浸入AgNO3溶液中。通過(guò)Ag+觸發(fā)CHI的凝膠化反應(yīng)，形成鑲嵌液晶液滴的CHI水凝膠膜（圖12），并且凝膠化過(guò)程不會(huì)改變液晶液滴的取向。所得的鑲嵌液晶液滴的水凝膠膜抗拉強(qiáng)度約為125 kPa，楊氏模量約為64 kPa。具有良好機(jī)械性能的水凝膠膜可被切割成所需形狀和尺寸，用于后續(xù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖12 （a）液晶5CB和CHI的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；（b）~（e）向CHI/SC14S復(fù)合穩(wěn)定的5CB乳液中添加Ag+，以觸發(fā)凝膠化而形成鑲嵌5CB液滴的水凝膠膜的過(guò)程示意圖［49］。Fig.12（a）Chemical structures of 5CB and CHI;（b）~（e）Schematic illustrations of the formation process of 5CB dropletembedded CHI hydrogel films by the Ag+ion-triggered fast gelation of CHI/SC14S-stabilized 5CB emulsion［49］.

將鑲嵌5CB液滴的水凝膠膜浸入200 μmol/L DCA溶液后，在偏光顯微鏡下可以觀察到5CB液滴逐漸由徑向取向轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓸O取向（圖13（a）~（f））。該取向轉(zhuǎn)變?cè)从跐B透到水凝膠中的DCA破壞/取代了SC14S在液滴表面的吸附。研究發(fā)現(xiàn)，鑲嵌5CB液滴的水凝膠膜對(duì)DCA和CA的響應(yīng)時(shí)間受待檢測(cè)物的濃度和種類的影響。例如，在100 μmol/L的條件下，鑲嵌5CB液滴的水凝膠膜對(duì)DCA的響應(yīng)時(shí)間為30 s，而對(duì)CA則為4 min。利用該體系對(duì)DCA和CA響應(yīng)性的不同，即可實(shí)現(xiàn)特異性定量檢測(cè)（圖13（g））。

圖13 （a）~（f）將鑲嵌5CB液滴的CHI水凝膠膜浸入200 μmol/L DCA溶液（a）0 s、（b）8 s、（c）12 s、（d）17 s、（e）20 s和（f）23 s后的偏光顯微圖像；（g）鑲嵌5CB液滴的水凝膠膜對(duì)DCA和CA的響應(yīng)時(shí)間隨濃度變化的關(guān)系圖［49］。Fig.13（a）~（f）Polarized microscope images of 5CB droplet-embedded CHI hydrogel sheets taken at 0 s（a），8 s（b），12 s（c），17 s（d），20 s（e）and 23 s（f）after the addition of 200 μmol/L DCA；（g）Response time of the embed?ded 5CB droplets as a function of DCA and CA concentrations，respectively［49］.

該便攜式鑲嵌液晶液滴的水凝膠膜材料易制備、成本低、穩(wěn)定性好、使用方便，為實(shí)時(shí)檢測(cè)DCA和CA提供了新方法，未來(lái)可能應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)和遠(yuǎn)程理療中。

6 液晶液滴的表面固定及其應(yīng)用

針對(duì)現(xiàn)有液晶液滴存在流動(dòng)性、難以固定觀察其取向等問(wèn)題，2010年，Nicholas L.Abbott課題組設(shè)計(jì)了一種聚合物膠囊包裹的液晶液滴，其可通過(guò)弱/可逆離子相互作用或者強(qiáng)/共價(jià)相互作用錨定到基底表面，在復(fù)雜媒介或流動(dòng)條件下依然保持體系穩(wěn)定性［50-51］。

首先通過(guò)膠囊模板法制備以帶正電的PEI為最外層、PEI/PVDMA聚電解質(zhì)層層包裹的、直徑約為4.9 μm的液晶液滴。該液晶液滴通過(guò)弱且可逆的陰陽(yáng)離子相互作用固定到帶負(fù)電的羧基官能化的基底表面。若用5 mol/L NaCl溶液對(duì)固定液晶液滴后的基底進(jìn)行沖洗，液滴表面與基底間離子相互作用被破壞，導(dǎo)致液晶液滴從基底表面脫落。如果液晶液滴表面的伯胺與氨內(nèi)酯官能化的基底表面反應(yīng)，形成強(qiáng)的共價(jià)鍵而將液晶液滴固定在基底表面，在5 mol/L NaCl溶液或Triton X-100溶液沖洗的條件下，液晶液滴仍能穩(wěn)定固定在基底上。另外，使用帶正電的胺功能化的基底可以通過(guò)靜電排斥作用防止帶負(fù)電的液晶液滴在基底上的非特異性吸附。

為探究該固定化液晶液滴的長(zhǎng)期保存性，研究人員進(jìn)行了干燥實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)液晶液滴中的液晶在干燥時(shí)不會(huì)從聚合物膠囊中泄漏。并且液晶液滴至少可以干燥保存6個(gè)月，再次將其放入水環(huán)境中后，液晶液滴可以恢復(fù)其響應(yīng)性，例如對(duì)水溶性兩親性分子十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）做出取向轉(zhuǎn)變響應(yīng)（圖14）。

圖14 （a）將干燥的液晶液滴（紅色）制備的“檢測(cè)試紙”浸入待檢測(cè)溶液（藍(lán)色）的設(shè)計(jì)示意圖；（b）~（e）將固定在玻璃基底上、干燥的液晶液滴浸沒(méi)在5 mmol/L DTAB溶液（b）~（c）前和（d）~（e）后的明場(chǎng)和偏光顯微鏡光學(xué)圖像［51］。Fig.14（a）Schematic illustration showing the design of LC droplet-based“test strips”consisting of dried caged LCs（red）that can be dipped into aqueous analyte solutions（blue）；（b）~（e）Bright-field and polarized light microscopy images of dried caged LC droplets immobilized on a multilayer-coated glass chip before（b）~（c）and after（d）~（e）in?sertion into 5 mmol/L DTAB solution［51］.

上述研究結(jié)果表明，聚合物膠囊包裹的液晶液滴可以通過(guò)靜電作用或共價(jià)作用固定在基底表面。由此得到的固定化液晶液滴可以在干燥條件下長(zhǎng)期保存，解決了液晶液滴在表征、穩(wěn)定性和存儲(chǔ)性等問(wèn)題。同時(shí)，該工作為液晶液滴的錨定提供了新方法，將其檢測(cè)應(yīng)用范圍擴(kuò)展到復(fù)雜、流動(dòng)的體系中，進(jìn)一步提升其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

上述方法是采用非特異性相互作用固定液晶液滴，2022年，Zhongqiang Yang課題組則報(bào)道了利用DNA堿基特異性識(shí)別作用，實(shí)現(xiàn)液晶液滴在圖案化基底表面的固定［12］。該工作首先通過(guò)針尖超聲法得到DNA修飾的液晶液滴。結(jié)合微接觸印刷技術(shù)，在基底特定圖案處修飾DNA單鏈，隨后加入與其序列互補(bǔ)的DNA修飾的液晶液滴，通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)作用實(shí)現(xiàn)液晶液滴的固定和圖案化（圖15）。液晶在液晶相和各向同性相之間的轉(zhuǎn)變，賦予了圖案溫度響應(yīng)性：在溫度升至液晶相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上時(shí)，液晶液滴在偏光顯微鏡下的明亮圖案消失；溫度降至轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下時(shí)，圖案重現(xiàn)。另外，通過(guò)升高溫度打開DNA雙鏈的方法，將液晶液滴從基底表面除去，圖案消失；降低溫度，圖案重現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)圖案的可重復(fù)印刷。該工作將液晶液滴與DNA序列可編程性、微接觸印刷技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)液晶液滴的圖案化，為表面信息可視化、產(chǎn)品防偽提供了新方法。另外，結(jié)合DNA核酸適配體的發(fā)展，該工作為檢測(cè)試劑盒的設(shè)計(jì)提供新思路。

圖15 將DNA修飾的液晶液滴用于可重復(fù)圖案印刷的示意圖。（a）將DNA修飾的液晶液滴加到DNA修飾的金基底表面；（b）通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)固定在金基底上的液晶液滴形成特定圖案以及（c）對(duì)應(yīng)的偏光顯微圖像；（d）通過(guò)在60 °C下加熱，破壞堿基互補(bǔ)配對(duì)，將形成的液晶液滴圖像擦去及其（e）對(duì)應(yīng)的、在室溫下拍攝的偏光顯微圖像［12］。Fig.15 Schematic illustration of repeatable printing pat?terns with DNA modified LC droplets.（a）Add DNA modified LC droplets on the surface of DNA modified gold substrate；（b）Formation of specific pattern through the base-pair complemen?tation rule and（c）corresponding polarized image；（d）Experimental repeatability through breaking base-pair at 60 °C and（e）corresponding polarized image taken at room temperature［12］.

7 結(jié)論與展望

近年來(lái)，基于液晶液滴的生物傳感器得到了迅速發(fā)展，當(dāng)前可以實(shí)現(xiàn)對(duì)以下幾類生物相關(guān)的檢測(cè)：（1）DNA和蛋白質(zhì)等生物大分子；（2）病毒和細(xì)菌等微生物；（3）生物分子之間的相互作用；（4）酶抑制型農(nóng)藥、膽酸和尿素等生物相關(guān)小分子。并且，液晶液滴通過(guò)對(duì)表面的功能化，實(shí)現(xiàn)了液晶液滴在固體基底表面的固定化，解決了其表征、抗干擾和便攜性等問(wèn)題［12，50-51］。

然而，目前液晶液滴傳感器仍面臨著一些亟待解決的問(wèn)題。首先，液晶液滴的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性受液晶液滴尺寸大小和均一性的影響。當(dāng)液晶液滴尺寸大于10 μm時(shí)，會(huì)顯著降低液晶液滴的檢測(cè)靈敏度。而當(dāng)液晶液滴尺寸不夠均一時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液晶取向轉(zhuǎn)變無(wú)法同步發(fā)生，給檢測(cè)帶來(lái)誤差。因此，制備小于10 μm且尺寸均一的液晶液滴是提高液晶液滴檢測(cè)性能的前提和基礎(chǔ)。其次，因?yàn)橐壕П旧聿痪哂袑?duì)待檢測(cè)物的特異性識(shí)別功能，因此，如何對(duì)液晶和液晶液滴界面進(jìn)行通用、簡(jiǎn)單的特異性化學(xué)/生物修飾，賦予其特異響應(yīng)能力，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。同時(shí)，考慮到人眼難以快速、準(zhǔn)確處理大量液晶光學(xué)圖像，將液晶液滴傳感器與深度學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合，將進(jìn)一步提升其精準(zhǔn)性和實(shí)用性。最后，當(dāng)前對(duì)于液晶液滴的制備，其尺寸的精確控制和大規(guī)模生產(chǎn)難以同時(shí)滿足，需要進(jìn)一步通過(guò)工程技術(shù)改進(jìn)液晶液滴的制備工藝，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。