基于聚二甲基硅氧烷微流控芯片的微波生物傳感器研究進展

關鍵詞微流控技術；微波技術；生物傳感器；聚二甲基硅氧烷；芯片一體化；評述

生物傳感器通過換能器將生物待測樣品的不同特征（如濃度、種類和分子量等）轉換為不同類型的電信號（如電壓脈沖、頻率和阻抗等），實現(xiàn)目標檢測，在生物醫(yī)學領域發(fā)揮著至關重要的作用，包括提供快速且準確的病原學診斷、指導臨床抗生素的合理應用、分析人體微生物之間的相互作用機制等[1-3]。微波生物傳感器利用微波電磁諧振特性檢測生物指標，隨著微波傳感理論及技術的發(fā)展和成熟，已逐漸成為一種新的生物檢測手段[4-7]。

微波生物傳感器作為新一代生物傳感技術，利用微波器件對生物樣品溶液介電常數變化的響應實現(xiàn)生物傳感功能。與電化學和光學生物傳感器相比，微波生物傳感器具有響應速度快、非侵入、可靠性高、無標記和易集成等優(yōu)點[8-12]。然而，微波生物傳感器的傳感響應易受環(huán)境變化的影響，并且被測生物樣品溶液用量和形態(tài)也會影響微波傳感器測量結果的準確性，其特異性也有待提高[13-14]。近年來，能夠分選微觀粒子的微流控技術日趨成熟，有效提升了微波生物傳感器的特異性，拓展了微波生物傳感器的應用范圍。

微流控技術利用微型化的流道、微閥門和微泵等微流控元件或外加場作用等技術手段對微觀粒子實現(xiàn)分選、富集和捕捉等操作[15-16]。微流控芯片能夠對不同濃度、不同種類的生物分子進行分選，這種分選效應在一定程度上解決了微波傳感器的特異性問題。此外，微流體通道可以確保流過敏感區(qū)域的被檢生物樣品溶液用量及形態(tài)的一致性，減小測量誤差，提高傳感響應精確性。微流控技術能夠將多種實驗室功能集成到一塊芯片中，分析檢測極少量流體（10–9～10–18L）[17-19]，具有小型化、集成化的優(yōu)勢。

將微流控技術與微波生物傳感技術結合，可以充分發(fā)揮微波傳感芯片和微流控芯片的優(yōu)勢，能夠為低成本、小型化和多傳感應用領域的生物傳感器提供廣闊的發(fā)展空間[20-22]。首先，二者結合可以增強傳感器的靈敏度，實現(xiàn)單個或多個樣品的高通量分析；其次，對極少量的樣品也能進行有效、低成本的微波無損檢測分析，有望應用于生物樣本的臨床快速診斷或實時檢測；此外，二者結合的傳感技術還具有集成化、自動化、便攜式以及多功能集成的優(yōu)勢，能夠在單一平臺上實現(xiàn)從樣品處理到檢測的自動化，或者在同一塊微流控芯片上集成多個微波傳感器，實現(xiàn)多種物理和化學參數的實時檢測[23-26]。

本文介紹了不同結構微波生物傳感器的特性和原理，綜述了微波生物傳感器以及微波-微流控一體化傳感器的最新研究和應用進展，分析了微波-微流控生物傳感技術目前存在的問題和挑戰(zhàn)，展望了微波-微流控生物傳感器未來的發(fā)展前景。

1微波生物傳感器

1.1微波生物傳感器的原理

微波生物傳感器主要組成部分包括微帶傳輸線、各種微波器件（如天線、諧振器等）和相應的生物敏感材料[27]。諧振器作為微波生物傳感器普遍使用的微波器件，分為分裂環(huán)結構（Splitringresonator，SRR）、互補分裂環(huán)結構（Complementsplitringresonator，CSRR）、互補耦合電容電感結構（Complementaryelectricalcouplinginductanceandcapacitance，CELC）等類型。在微波傳輸過程中，電磁能量與生物樣品的相互作用會產生反射波和透射波。待測生物樣品的介電特性決定了這些波的傳輸系數，并以可測量的諧振頻率和幅值變化的形式表現(xiàn)出來，從而將樣品的生化特性轉化為可測量的電磁參數，實現(xiàn)對樣品特性的精準檢測[28-29]。在工作頻率下，微波生物傳感器電場強度較大的區(qū)域對介電常數的變化尤為敏感[30]，通過測量敏感區(qū)域內待測生物樣品引起的微波參數變化，可實現(xiàn)對樣品中目標物質的濃度、數量、厚度和體積等特性的分析[31]。

微波諧振器主要由電感和電容構成，其中，電容特性對諧振器的傳感性能至關重要[32]。電容特性不僅取決于兩個平行板的幾何尺寸（長度、寬度和距離），還受到極板間介質材料的介電常數的影響。電容值可由公式（1）表示：

其中，L、W和d分別為平行板的長度、寬度和距離；0為空氣的介電常數；r為介質材料的相對介電常數，其變化的敏感度與傳感器靈敏度息息相關。已報道的微波生物傳感器中，開口分裂環(huán)SRR是一種常見的結構（圖1A），通常由微帶金屬線、介電基板、饋線及位于介電基板對側的金屬接地結構組成。該結構可等效為電感和電容相串聯(lián)的電路模型（圖1B），其中微帶金屬線因其固有的電磁特性而提供電感特性，而開路金屬環(huán)結構提供電容特性。通過調整SRR的尺寸、形狀和開孔大小，可以精確地調節(jié)其諧振頻率，從而實現(xiàn)對生物分子相互作用的高靈敏度檢測。Cg和Ls分別代表環(huán)形微帶線的等效電容和等效電感，在電磁場耦合作用下，信號通過饋線和開環(huán)回路進行傳輸。諧振頻率（f）可用公式（2）[33]表示：

為了增強微波諧振器的檢測靈敏度，研究者提出了具有較高品質因數的互補分裂環(huán)CSRR結構[34]，如圖1C所示，該結構在傳統(tǒng)SRR的基礎上，內嵌了一條與SRR等線寬的微帶金屬導體，并保持導體之間的間距相同。通過這種設計，CSRR能夠顯著提高諧振器的品質因數，進而提升傳感器的檢測靈敏度[35]。CSRR的等效電路模型圖（圖1D）中，Cc和Ls分別表示耦合電容和并聯(lián)電感。為了增強諧振器對電容變化的敏感性，研究者提出了互補耦合電容電感（CELC）諧振器[36]。在電磁場的耦合作用下形成電場壁和磁場壁兩個對稱平面（圖1E），通過對這兩個平面的優(yōu)化設計，能夠有效改善電容特性，從而提升諧振器的傳感檢測靈敏度。圖1F為CELC等效電路模型圖，其中Cg表示導體與接地面之間的電容，Lg為互補電耦合諧振器的電感，Cm表示兩部分金屬平面之間的耦合電容。

1.2微波生物傳感器應用研究

1.2.1直接式微波生物傳感器

依據檢測方式的不同，微波生物傳感器可分為直接式和間接式兩類。直接式微波生物傳感器通過對生物細胞、細菌、病毒等生物體的檢測實現(xiàn)傳感響應表征。這些傳感器通過監(jiān)測待測生物樣品在傳感器敏感區(qū)域的物理特性（樣品溶液面積、厚度和濃度）的變化，反映生物體的活性、抗藥性和生長狀況等[37]。如Mohammadi等[38]提出了一種基于SRR結構的新型無標簽微波生物傳感器，利用諧振振幅差值及諧振頻率差值的變化表征微波傳感響應，實現(xiàn)了對細菌生長狀況的高線性度檢測（圖2A）。該傳感器的優(yōu)勢在于利用固體培養(yǎng)基進行待測細胞培養(yǎng)，有效避免了液體生物樣本對微波傳感器的干擾。此外，Lee等[39]基于SRR設計了一種射頻（Radiofrequency，RF）生物傳感器（圖2B），由局部高阻抗微帶線的時變磁場分量激勵，實現(xiàn)了對不同濃度生物分子的無標記檢測。Piekarz等[40]設計了一種覆蓋有抗大腸桿菌抗體的透射型差分諧振陣列（圖2C）。該生物傳感器在5個不同頻率下均能產生諧振效應，實現(xiàn)了對不同濃度的大腸桿菌和鼠李糖乳桿菌LOCK0919的特異性、高靈敏度和高穩(wěn)定性檢測，克服了現(xiàn)有微波生物傳感器缺乏檢測特異性的不足。然而，該研究中微波傳感器的檢測結果易受環(huán)境因素的干擾，檢測穩(wěn)定性和可靠性仍需進一步提升。相較于傳統(tǒng)的諧振型生物傳感器通常設計在特定的諧振峰值下工作，Chen等[41]提出了一種在40GHz頻段附近工作的RF生物傳感器（圖2D）。該傳感器采用微波共面波導傳輸線，對癌癥細胞（HepatomaG2，HepG2）進行介電特性表征，有效消除了測量過程中由培養(yǎng)基和基質材料產生的微波寄生效應。但是，該研究存在一些不足，如對特定頻率的依賴性、抗干擾能力差、復雜樣品檢測特異性較差以及靈敏度低等。

1.2.2間接式微波生物傳感器

間接檢測方法可分為兩類：通過引入生物介質物進行檢測和通過檢測生物體所在的有機溶液環(huán)境間接反映生物信息指標。第一類方法通過檢測介質物（如生物酶或生物標志物）的變化反映微波參數變化，從而間接實現(xiàn)對待測生物樣品特性的傳感響應[42-43]。Xie等[44]提出了由雙諧振SRR組成的太赫茲超材料生物傳感器（圖2E），通過分析雙諧振頻率的變化，實現(xiàn)了濃度低至0.1ng/mL的肝癌生物標志物甲胎蛋白（Alphafetoprotein，AFP）的特異性檢測。該傳感器具有檢出限低、靈敏度高、線性度良好、簡單易用及成本低等優(yōu)點，能夠有效應用于肝癌的早期診斷。第二類方法通過檢測生物體所處環(huán)境中的有機溶液間接反映其微波器件的反射和傳輸特性。有機物溶液相對介電常數會隨其物質濃度變化而變化，進而影響微波器件的反射和傳輸特性。Dhakal等[45]基于空氣橋增強型電容結構設計了一種非侵入性葡萄糖生物傳感器，通過測量血清樣品的介電常數檢測人體血清中的葡萄糖水平。通過從實測散射參數中提取介電常數、電容和相位等相關系數對多參數響應進行表征，其介電常數隨著葡萄糖濃度增大而降低，并呈現(xiàn)出較好的線性關系，檢出限低至9.69mg/dL。但是，該傳感器在檢測葡萄糖含量較低的汗液、尿液、血液等體液樣品中時，具有局限性。此外，葡萄糖濃度的檢測結果受到多種因素的影響，包括與敏感區(qū)域接觸的溶液量和形態(tài)等，這些因素的變化可能會影響傳感器的準確性和穩(wěn)定性。為解決上述問題，Qiang研究組提出了一種集成微波貼片諧振器和槽型結構于一體的定量檢測生物傳感器。在硅基板上通過微納加工法實現(xiàn)了正面SU-8槽型和背面空氣槽型結構，實現(xiàn)了對葡萄糖溶液濃度的多參數表征[46]。在此基礎上，該研究組設計并加工制備了基于電容型結構（圖2F）的葡萄糖生物傳感器，其靈敏度分別為0.413nF/（mg/dL）、0.048nF/（mg/dL）和0.011pF/（mg/dL）[47]。

2基于聚二甲基硅氧烷微流控芯片的微波生物傳感器

在生物醫(yī)學領域，開發(fā)具有實時檢測能力的小型化傳感器裝置對于準確檢測目標病原體、激素、細菌微生物及其它分析物具有重要意義，且在即時治療等醫(yī)學應用中尤為關鍵[48]。微流控芯片技術是一種在微米尺度上操控流體的技術，能夠實現(xiàn)對流體的精確控制，將生物和化學等實驗室的基本功能微縮至幾平方厘米大小的芯片上[49-50]。目前，微流控芯片技術已成為研究細胞的新一代主流技術。與傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)技術相比，微流控芯片技術具有自動化水平和集成度均較高等優(yōu)勢，為開發(fā)低成本、緊湊型生物醫(yī)學器件提供了可能[51-52]。其中，采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）制備的微流控芯片具有透光性強、生物相容性好、易于加工與集成等優(yōu)勢，已成為該領域的首選材料之一[53]。

微波傳感芯片通常將金屬結構設計、加載在特定基板（如玻璃、硅、碳化硅、砷化鎵和印刷電路板等）上以實現(xiàn)傳感響應，其中，玻璃基板和硅基板能夠通過等離子表面處理工藝和PDMS微流控芯片技術高效集成，因此微波傳感芯片和PDMS微流控芯片具有良好的兼容性[54-56]。目前，已有學者將微流控技術與微波傳感技術進行結合，這種基于PDMS微流控芯片的微波生物傳感器根據微波傳感器種類的不同可分為低溫共燒陶瓷（Lowtemperatureco-firedceramics，LTCC）式[57]、太赫茲（THZ）超材料式[58]、缺陷地結構（Defectedgroundstructure，DGS）式[59]以及薄膜微帶式[60]。

2.1低溫共燒陶瓷式

LTCC是一種采用陶瓷基底和金屬導體材料共同燒結的工藝，其主要特點是可在較低溫度（通常為850～900℃）下進行燒結，避免高溫對材料或器件的損害。LTCC技術憑借其優(yōu)良的介電性能和低損耗特性，廣泛應用于微波生物傳感器領域。Liang等[61]設計了一種新型的LTCC式無線微流體生物傳感器（圖3A），該傳感器由平面螺旋電感和平行板電容組成，形成諧振天線結構，并與集成在基板內的微流體通道共同組成無線傳感系統(tǒng)，可實時檢測有機液體的介電常數。Malecha等[62]基于微波諧振和干涉疊加原理，設計了兩類LTCC微波微流體傳感器（圖3B），其工作頻段為2.45和5.80GHz。在完成待測溶液中多巴胺的線性傳感響應測量后，建立了待測溶液濃度的微波介電預測模型。盡管LTCC技術用于微波傳感器展現(xiàn)出頻帶寬和魯棒性高等顯著優(yōu)勢，但其制造工藝的復雜性和高成本仍是當前技術發(fā)展中需要解決的關鍵問題。

2.2太赫茲超材料式

THz波對生物分子（如水和蛋白質等）具有高敏感性，已成為生物檢測領域的研究熱點。此外，超材料作為一種通過人工設計實現(xiàn)的新型材料，展現(xiàn)出了超越傳統(tǒng)自然材料的電磁特性，如負折射率、異常高的介電常數和磁導率等。將THz波傳感器與超材料結合，可以通過特定的結構設計和電磁響應特性增強傳感器的特異性和靈敏度。近年來，基于THz超材料的微波傳感器技術以其在生物分子檢測中展現(xiàn)出的高靈敏度和高分辨率而廣受關注。Geng等[63]設計并制備了集成微流體通道的THz超材料生物傳感器（圖3C）。該傳感器利用雙間隙超材料結構捕獲甲胎蛋白（AFP）和谷氨酰胺轉移酶同工酶Ⅱ（GGT-Ⅱ），并通過監(jiān)測諧振頻率的偏移表征傳感響應，其中，AFP的諧振偏移為14.2GHz（0.02524μg/mL），GGT-Ⅱ的諧振偏移為19GHz（5μg/mL）。Lin等[64]設計了一種十字形超材料結構（圖3D），在益生菌實驗中，最大諧振偏移可達到89GHz，并且在0.025mg/50μL的低濃度下仍能產生0.72GHz的偏移。為了提高檢測靈敏度，Weisenstein等[65]設計了一種集成微流體的THz超材料生物傳感器（圖3E），利用非對稱CSRR（CASR）結構的諧振特性對待測生物分子實現(xiàn)了高靈敏檢測，靈敏度高達893（GHz/RIU）/μL。THz波傳感器具有高集成度特性，在生物分子檢測領域展現(xiàn)出較大的應用潛力。在CASR結構基礎上，Zhou等[66]利用石墨烯-超表面雜化結構，通過增強THz波與生物分子的相互作用，可檢測濃度低至100nmol/L的DNA短序列（圖3F）。然而，THz波傳感器工作頻率高，會導致其尺寸偏小，限制了與之集成的微流體芯片所能處理的流體通量，其加工工藝要求較高且成本也較高。

2.3缺陷地結構式

平面天線在空間中的能量耦合會降低天線的輻射性能，減少電磁通量與被測生物介質之間的相互作用，降低傳感靈敏度。為解決該問題，研究人員提出了DGS，通過在微帶線接地金屬板上蝕刻特定的柵格結構，集中金屬導體的表面電流，改變傳輸線的分布電感和分布電容，抑制平面天線的能量耦合，減少輻射損耗并改善微波諧振特性。因此，DGS也被廣泛應用于提高微波傳感器的傳感靈敏度。Zhang等[67]設計了一種與仿生微流體通道集成的微帶貼片天線，采用DGS影響接地金屬面中的電流分布，增加電感；同時，利用仿生微流通道固定葡萄糖溶液的體積容量，減少實驗誤差（圖4A），增強了葡萄糖濃度、諧振頻率和反射系數之間的傳感響應相關性，驗證了該天線在早期血糖水平檢測中的可行性。然而，實驗過程中不可避免的環(huán)境因素（如溫度和濕度）波動，仍可能對測量結果的準確性產生干擾。為了提高傳感性能的精確度，Gan等[68]提出并制備了一種基于CSRR的差分型微波諧振器，該諧振器利用DGS降低微帶貼片單元間的相互耦合效應（圖4B）。此外，該諧振器通過采用差分結構減少溫度、濕度等環(huán)境變量產生的干擾，并通過在電場集中的敏感區(qū)域——凹槽位置集成微流體通道，進一步提高器件的檢測靈敏度。DGS為微波生物傳感器的發(fā)展提供了有效的解決方案，但靈敏度限制了其在生物檢測領域的進一步推廣應用。

2.4薄膜微帶式

薄膜微帶技術也是一種常見的微波諧振結構加工方法，通過在絕緣基板表面上沉積導電薄膜（通常是金屬），形成導體和介質層結構，構建多種微波器件。Omer等[69]提出了一種集成微流控通道的高靈敏平面微波傳感器（圖4C），專門用于監(jiān)測糖尿病患者血液中葡萄糖濃度（70～150mg/dL）變化。該傳感器的傳感單元由蝕刻在基板底部的3個圓形CSRR級聯(lián)形成，相較于僅含單個諧振單元的傳感器，不僅靈敏度和分辨率顯著提升，還有效減小了環(huán)境因素帶來的測量誤差。Salim等[70]利用負載方形貼片的CSRR測試并分析了濃度在0～100%范圍內的乙醇溶液（圖4D），通過介電擾動法表征了微流體通道內不同濃度乙醇溶液的諧振頻偏，濃度檢出限低至10%。Yesiloz等[71]設計了一種基于微波技術的微流體混合器（圖4E），利用諧振器中的螺旋電容聚焦電磁場，并為穿過電容間隙的液滴提供了足夠的電磁能量，有效促進了微流體通道中的液滴混合。這種高靈敏微波諧振結構不僅可識別各種液體類型和濃度，還可將微生物和細菌的生物特征轉化為諧振頻移或幅度變化等可量化的微波參數，在微波生物傳感領域具有較大的應用潛力。Narang等[72]開發(fā)了一種微波微流體生物傳感器（圖4F），能夠快速、非接觸式、無損檢測大腸桿菌的濃度和生長狀態(tài)，并建立了細菌濃度以及生長和增殖的線性響應模型，為自動化臨床微生物學試驗提供了可行性方案。薄膜微帶技術因其結構和加工的靈活性，使傳感芯片在通量上不受限制，并顯著提高了傳感器的可靠性和靈敏度，是目前微波傳感芯片的熱門選擇。

綜上，4種基于PDMS微流控芯片的微波生物傳感器各有特點，其檢測原理和優(yōu)缺點比較見表1。這4種芯片都可實現(xiàn)對生物樣品的實時檢測，但性能存在差異。薄膜微帶式微波微流控生物傳感器具有優(yōu)良的檢測性能；LTCC微波生物傳感器雖具備優(yōu)良的介電性能，但制造工藝復雜且成本較高；THz超材料式傳感器靈敏度最高，但其較高的成本和較低的通量限制了其在更廣泛領域的應用；DGS微波物傳感器損耗低，但傳感靈敏度和通量也相對較低。鑒于此，薄膜微帶式微波生物傳感器憑借其高靈敏度、高通量的優(yōu)勢，在未來基礎研究和實際應用方面應用潛力較大。

3結論與展望

基于PDMS微流控芯片的微波生物傳感器已引起研究者廣泛關注，并在細胞分析、臨床檢測和食品加工等多個領域展現(xiàn)出卓越的應用潛力。然而，仍存在一些亟待解決的難題。首先，微波諧振器與各種被測溶液、微生物及細胞之間的協(xié)同工作機制仍需深入研究，這需要大量的結構仿真與實測數據作為支撐。其次，當前研究中微流體通道的設計多為簡單覆蓋在微波傳感器的敏感區(qū)域，未充分體現(xiàn)微流體的控制作用，如何通過微流控結構提升傳感器性能仍是該領域的研究難點。此外，單個諧振結構對待測溶液進行檢測表征，數據樣本有限，難以通過大數據分析和機器學習來提升檢測性能。最后，微波生物傳感器的檢測特異性不佳，雖然也有少數研究利用生物蛋白酶和抗體修飾微波器件，但這些生物分子的活性會隨著時間和環(huán)境變化而衰減，并且成本較高。多數研究僅將待測溶液放置在檢測敏感區(qū)間，這種方法難以克服微波傳感器特異性較差的缺陷。

未來，應將微流控芯片與成熟電子芯片進行深度融合，形成大規(guī)模集成電路控制的功能型集成微流控芯片，從而實現(xiàn)集靈敏、高特異性、便攜式、可穿戴、非侵入和微型化于一體的生物信息檢測系統(tǒng)。該領域的發(fā)展需要多學科交叉與協(xié)同，才能逐步實現(xiàn)其在臨床醫(yī)學中的廣泛應用，包括對不同細胞類型的操控、分選和分析，充分發(fā)揮微波-微流控生物傳感芯片的優(yōu)勢。作為集成生物材料、電子信息與醫(yī)學人工智能的前沿項目，微波-微流控一體化芯片將在生物醫(yī)學與生命健康領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力，盡早實現(xiàn)微流控芯片與成熟電子芯片的深度對接，將顯著提升我國在大規(guī)模集成電路控制的功能型集成微流控芯片研究領域的核心競爭力。