基于鞘流即插即用3D流体动力聚焦拉曼平台

单个微粒的检测可以揭示微滴、微塑料、细胞等异质性或获取混合样品的编码信息，无标记、动态的单微粒拉曼检测具有对微液滴、微塑料和活细胞的化学和生物异质性的研究能力，微粒的3D流体动力聚焦是实现这一目标的关键。目前制造3D流体动力聚焦的方法非常复杂且依赖于洁净室以及专业操作的限制。近期，西安电子科技大学胡波教授课题组创新性地研发了一种简便的即插即用3D流体动力聚焦拉曼平台，相关成果以“A plug-and-play 3D hydrodynamic focusing Raman platform for label-free and dynamic single microparticle detection”为题发表在国际化学权威杂志Sensors and Actuators B： Chemical上。

3D流体动力聚焦拉曼平台由同轴针头、石英毛细管和3D打印支架三个部件以即插即用的方式组装而成，不需要任何专业技能和复杂的条件，实现了微粒3D流体动力聚焦。

图1 即插即用3D流体动力聚焦拉曼平台的设计和实物图

研究人员通过理论预测和实验验证两方面探讨了微粒在该平台上的3D流体动力聚焦问题。系统地论证了鞘液流与核液流的流量比和总流量对微粒聚焦状态的影响，证明该平台实现了微粒的3D流体动力聚焦。

图2 即插即用3D流体动力聚焦拉曼平台的微粒3D流体动力聚焦

在相同的检测条件和微粒浓度下，通过对比不同的聚焦状态，良好的微粒聚焦状态会显著改善拉曼信号，聚焦良好的微粒的拉曼强度几乎是未聚焦微粒的3倍。在良好的聚焦状态下，进一步探究微粒的速度和浓度对拉曼检测的影响，结果表明在拉曼检测参数不变的前提下，通过降低微粒子的速度和降低微粒的浓度可以实现无标记、动态的单粒子拉曼检测。

图3 即插即用3D流体动力聚焦拉曼平台聚焦状态对拉曼检测的影响

通过建立拉曼光谱分类的KNN模型，该平台检测的准确率、灵敏度和特异度均达到100%。此外该平台还可用于两种和三种微粒混合样品的无标记、动态检测，有望成为微滴内部化学反应监测、微塑料检测与分类、活细胞非侵入性生物传感等无标记、动态单微粒检测有力工具。

图4 即插即用的3D流体动力聚焦拉曼平台的拉曼光谱分类的KNN模型及其在单微粒拉曼检测中的应用

该研究提出了基于鞘流的即插即用3D流体动力聚焦拉曼平台，在单粒子水平上实现了流体中微粒的拉曼检测。该平台基于软管微流控的组装思路进行开发，制作简便、成本较低，与拉曼和SERS检测技术具有较好的联用效果，可以在短时间内获得大量的光谱。该平台作为一种简便的即时检测工具，将有望在生物化学、临床诊断及食品安全领域得到广泛的应用。