單個微粒的檢測可以揭示微滴、微塑料、細胞等異質(zhì)性或獲取混合樣品的編碼信息，無標記、動態(tài)的單微粒拉曼檢測具有對微液滴、微塑料和活細胞的化學和生物異質(zhì)性的研究能力，微粒的3D流體動力聚焦是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。目前制造3D流體動力聚焦的方法非常復(fù)雜且依賴于潔凈室以及專業(yè)操作的限制。近期，西安電子科技大學胡波教授課題組創(chuàng)新性地研發(fā)了一種簡便的即插即用3D流體動力聚焦拉曼平臺，相關(guān)成果以“A plug-and-play 3D hydrodynamic focusing Raman platform for label-free and dynamic single microparticle detection”為題發(fā)表在國際化學權(quán)威雜志Sensors and Actuators B： Chemical上。

3D流體動力聚焦拉曼平臺由同軸針頭、石英毛細管和3D打印支架三個部件以即插即用的方式組裝而成，不需要任何專業(yè)技能和復(fù)雜的條件，實現(xiàn)了微粒3D流體動力聚焦。

圖1 即插即用3D流體動力聚焦拉曼平臺的設(shè)計和實物圖

研究人員通過理論預(yù)測和實驗驗證兩方面探討了微粒在該平臺上的3D流體動力聚焦問題。系統(tǒng)地論證了鞘液流與核液流的流量比和總流量對微粒聚焦狀態(tài)的影響，證明該平臺實現(xiàn)了微粒的3D流體動力聚焦。

圖2 即插即用3D流體動力聚焦拉曼平臺的微粒3D流體動力聚焦

在相同的檢測條件和微粒濃度下，通過對比不同的聚焦狀態(tài)，良好的微粒聚焦狀態(tài)會顯著改善拉曼信號，聚焦良好的微粒的拉曼強度幾乎是未聚焦微粒的3倍。在良好的聚焦狀態(tài)下，進一步探究微粒的速度和濃度對拉曼檢測的影響，結(jié)果表明在拉曼檢測參數(shù)不變的前提下，通過降低微粒子的速度和降低微粒的濃度可以實現(xiàn)無標記、動態(tài)的單粒子拉曼檢測。

圖3 即插即用3D流體動力聚焦拉曼平臺聚焦狀態(tài)對拉曼檢測的影響

通過建立拉曼光譜分類的KNN模型，該平臺檢測的準確率、靈敏度和特異度均達到100%。此外該平臺還可用于兩種和三種微?；旌蠘悠返臒o標記、動態(tài)檢測，有望成為微滴內(nèi)部化學反應(yīng)監(jiān)測、微塑料檢測與分類、活細胞非侵入性生物傳感等無標記、動態(tài)單微粒檢測有力工具。

圖4 即插即用的3D流體動力聚焦拉曼平臺的拉曼光譜分類的KNN模型及其在單微粒拉曼檢測中的應(yīng)用

該研究提出了基于鞘流的即插即用3D流體動力聚焦拉曼平臺，在單粒子水平上實現(xiàn)了流體中微粒的拉曼檢測。該平臺基于軟管微流控的組裝思路進行開發(fā)，制作簡便、成本較低，與拉曼和SERS檢測技術(shù)具有較好的聯(lián)用效果，可以在短時間內(nèi)獲得大量的光譜。該平臺作為一種簡便的即時檢測工具，將有望在生物化學、臨床診斷及食品安全領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。