在生物制造從傳統(tǒng)發(fā)酵向精準(zhǔn)智能驅(qū)動(dòng)制造轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，對(duì)微生物代謝物進(jìn)行高通量實(shí)時(shí)分析，是實(shí)現(xiàn)從“黑箱操作”向透明感知、從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)范式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵步驟。表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）憑借高靈敏度、指紋識(shí)別能力、快速響應(yīng)和原位分析潛力，能夠在近乎原始狀態(tài)下對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，真實(shí)反映生物過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，因此被視為該領(lǐng)域極具潛力的分析工具。與此同時(shí)，液滴微流控技術(shù)憑借其在微升至納升尺度上對(duì)流體的精準(zhǔn)操控，為構(gòu)建高度集成的自動(dòng)化分析平臺(tái)提供了可行途徑。通過(guò)將樣品分割為數(shù)千個(gè)獨(dú)立的微反應(yīng)器，該技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高通量、并行SERS分析提供了理想平臺(tái)。為解決微生物代謝體系中pH波動(dòng)對(duì)SERS檢測(cè)造成的干擾，現(xiàn)有研究主要聚焦于外部pH調(diào)控或替換銀（Ag）納米顆粒等策略。在此背景下，開(kāi)發(fā)一種兼具高增強(qiáng)性能、寬pH耐受性，且支持實(shí)時(shí)原位分析的SERS檢測(cè)策略，已成為該領(lǐng)域的迫切需求。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，為解決上述挑戰(zhàn)，重慶大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種“材料-系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)”策略，構(gòu)建了基于Ag@SiO?@PVP納米探針的寬pH耐受液滴微流控SERS檢測(cè)平臺(tái)。該研究通過(guò)“雙保護(hù)探針-多功能芯片”協(xié)同策略，為復(fù)雜生物環(huán)境中代謝物的可靠、高通量分析提供了強(qiáng)有力的工具。相關(guān)研究成果已經(jīng)以“Broad pH-resistant microdroplet SERS platform based on Ag@SiO2@PVP NPs for real-time analysis of microbial metabolites”為題發(fā)表于近期的Microsystems & Nanoengineering期刊。圖1 微流控芯片參數(shù)的優(yōu)化。微流控芯片工作流程如下：代謝物樣品、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分散劑和Ag@SiO?納米顆粒這三種水相通過(guò)圖1a中的進(jìn)樣口（1）注入。它們?cè)谏咝位旌贤ǖ溃?）內(nèi)借助人字形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速充分混合，形成分散相。連續(xù)相通過(guò)進(jìn)樣口（3）引入。通過(guò)精準(zhǔn)控制兩相的流速，在T型接頭（4）處生成尺寸均一的液滴。這些液滴隨后流入光學(xué)檢測(cè)區(qū)（5），在獨(dú)特的變截面通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下被自動(dòng)捕獲并穩(wěn)定滯留。在此，液滴受到633 nm激光激發(fā)以采集拉曼信號(hào)。最終，完成檢測(cè)的液滴通過(guò)出樣口（6）離開(kāi)芯片。該研究聚焦于如何讓成熟的微流控-SERS分析系統(tǒng)在寬pH范圍等極端動(dòng)態(tài)的化學(xué)環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。研究創(chuàng)新點(diǎn)并非發(fā)明全新的芯片工作原理，而是實(shí)現(xiàn)了“材料-系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)”。該研究將本征耐pH的Ag@SiO?@PVP納米探針與集成人字形混合器、液滴捕集器及用于光程增強(qiáng)反射基底的微流控芯片深度耦合，成功構(gòu)建出具備“被動(dòng)魯棒性”的微系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜發(fā)酵液中微生物代謝物的穩(wěn)定高效檢測(cè)，研究人員設(shè)計(jì)并制備了一款集成人字形混合器的T型接頭微流控芯片。該芯片集成了三個(gè)功能區(qū)：人字形混合器混合單元、均一液滴生成區(qū)以及主動(dòng)液滴捕獲與原位SERS檢測(cè)區(qū)。研究人員構(gòu)建了核殼結(jié)構(gòu)的Ag@SiO?@PVP納米復(fù)合材料。內(nèi)層SiO?殼層可有效隔離Ag核與H?、OH?等腐蝕性物質(zhì)，外層PVP層則通過(guò)空間位阻效應(yīng)防止顆粒聚集，確保了探針在寬pH范圍內(nèi)的優(yōu)異分散性，從根本上打造出不受環(huán)境pH影響的SERS信號(hào)源。圖5 雙協(xié)同穩(wěn)定機(jī)制的探究研究人員通過(guò)集成人字形混合器的T型接頭微流控芯片，搭建了完整的微液滴SERS檢測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)代謝物與納米探針快速混合、生成均一液滴、自動(dòng)捕集以及原位SERS檢測(cè)的一體化流程。以大腸桿菌代謝物L(fēng)-多巴為模型分子的系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果表明，該平臺(tái)在無(wú)需任何外部主動(dòng)調(diào)控的情況下，即可在pH 3～11范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高重現(xiàn)性（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%）和高通量檢測(cè)能力。對(duì)真實(shí)發(fā)酵液的驗(yàn)證進(jìn)一步證實(shí)了其實(shí)際應(yīng)用潛力。與現(xiàn)有技術(shù)的全面對(duì)比顯示，該研究成果在寬pH穩(wěn)定性、重現(xiàn)性、檢測(cè)通量及無(wú)需外部干預(yù)等方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。圖6 真實(shí)菌株代謝物的液滴微流控SERS檢測(cè)與分析通過(guò)材料-系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)，該研究成功構(gòu)建了一種在抗pH干擾能力、檢測(cè)靈敏度和分析通量方面表現(xiàn)優(yōu)異的微系統(tǒng)。與常見(jiàn)的通過(guò)向微系統(tǒng)架構(gòu)中引入新的工作原理或功能模塊來(lái)創(chuàng)造新分析能力的方法不同，該研究在實(shí)現(xiàn)優(yōu)異分析性能的同時(shí)，從另一維度提升了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的整體穩(wěn)健性與可靠性。這對(duì)于優(yōu)化生物制造流程具有重要價(jià)值。總結(jié)而言，該研究提出并構(gòu)建了一種基于Ag@SiO?@PVP納米探針的液滴微流控SERS檢測(cè)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)微生物代謝物的高通量、自動(dòng)化實(shí)時(shí)分析。該研究通過(guò)創(chuàng)新探針材料設(shè)計(jì)與微系統(tǒng)集成的協(xié)同策略，為復(fù)雜生物環(huán)境中代謝物的實(shí)時(shí)、高通量分析提供了一種穩(wěn)定且通用的解決方案。https://doi.org/10.1038/s41378-026-01311-3延伸閱讀：
《微流控技術(shù)及市場(chǎng)-2024版》
《即時(shí)診斷應(yīng)用的生物傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
