據麥姆斯咨詢報道，近日，一支由奧地利維也納技術大學（TU Wien）、巴西里約熱內盧天主教大學（Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro）和捷克布爾諾理工大學（BrnoUniversity of Technology）的研究人員組成的團隊在Nature Communications期刊上發表了題為“A mid-infrared lab-on-a-chip for dynamic reaction monitoring”的最新論文，該論文提出的基于量子級聯技術的單片集成的中紅外傳感器——“芯片實驗室”（lab-on-a-chip），可實現液體中動態化學反應的原位監測。

圖1 牛血清白蛋白（BSA）的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）及提出的中紅外傳感器示意圖

從醫學診斷、環境傳感和氣候研究到光譜成像和安全應用，傳感器已經在無數層面進入了我們的日常生活。它們檢測、分析各種相關物質（例如潛在的危險化學品）并對其做出反饋。雖然中紅外（mid-IR）氣相光譜技術如今已被廣泛用于基于量子級聯（QC）技術的傳感應用，但液體檢測技術仍處于起步階段。例如，包括嘗試解決高密度液體介質中非常寬的吸收帶（》10-50cm?1）。當在非常低（ppb-到ppt-）濃度水平或快速變化的濃度下檢測目標分析物，同時研究分子的化學反應或構象變化時，這將成為一項更具挑戰性的任務。監測液相動態過程的傳感器的理想特性包括快速響應時間、高靈敏度和特異性，以及分析微升（microliter）樣本大小的寬動態濃度范圍的能力。

因此，在中紅外光譜范圍（~500-1700cm?1）內基本分子吸收的光譜指紋區域，特別是在蛋白質分析中的蛋白質酰胺I帶區域（~1600-1700cm?1），對于傳感器的特異性而言是非常有益的。

傳感器的靈敏度取決于其噪聲性能和校準線的斜率。在基于Beer-Lambert定律的光譜技術中，靈敏度可以通過最大化樣本中光的有效相互作用長度來定制。然而，對于現有技術，水溶液中典型的中紅外吸收長度值位于低微米尺度，并且通常需要使用體積龐大的設備。因此，高功率光源和高性能探測器，如QC激光器（QCL）和QC探測器（QCD），是改進其性能的有利工具。它們可以解決中紅外液相光譜在實際應用中的問題，并能夠探測遠超過幾微米的樣本膜厚度，從而實現簡化和更具魯棒性的樣本處理。

與之前報道的文獻中首次實驗已經解決的傳感器特異性和靈敏度相比，本論文的作者們想證實一個設想，表明在兩個額外的關鍵特性上取得了重大進展：

（i）動態過程，如化學反應或構象變化中的那些發現，即分子三維結構的結構變化，揭示了重要的特征，必須以高時間分辨率對其進行分析，以便進行充分的研究。用于無標記實時測量的原位傳感器是監測這些分析物變化的理想工具，完全避免了耗時的離線分析。

（ii）芯片上分析微量液體的能力通過傳感器小型化實現了用于實際應用的檢測方案。這包括在線測量微升樣本，僅對化學過程產生最小的干擾。

在本論文研究中，作者們提出了下一代、完全集成和魯棒的芯片級中紅外傳感器，適用于在線測量溶液中的分子動力學。指尖大小（《5×5mm2）的器件采用了量子級聯技術，將發射器、傳感部分和探測器結合在同一個芯片上。他們利用光學有限元（FEM）仿真分析了傳感器的性能，從理論上證實了其在液體環境中原位監測的適用性。利用D2O環境中的牛血清白蛋白（BSA）樣本，他們在研究中進行了兩種類型的測量：確定傳感器校準線；并進行熱變性實驗，監測蛋白質二級結構的相關變化。定量測量實驗揭示了其在傳感器線性，濃度覆蓋范圍（從0.075mg ml?1到92mg ml?1）和吸光度（比最先進的大型離線參考系統高55倍）方面的優異性能。

圖2 熱變性測量實驗設置

圖3 熱變性測量實驗結果