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東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)顧忠澤團(tuán)隊(duì)在Chemical Engineering Journal上發(fā)表了相關(guān)論文，開發(fā)了一種多功能且高度可控的策略，通過直接激光寫入（DLW）技術(shù)在微流控裝置中構(gòu)建光子晶體水凝膠（PCH）傳感系統(tǒng)。

微流控裝置因其能夠創(chuàng)造模擬體內(nèi)微環(huán)境的復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境，常用于細(xì)胞培養(yǎng)、藥物篩選和器官芯片應(yīng)用。然而，由于其封閉結(jié)構(gòu)，獲取內(nèi)部環(huán)境參數(shù)（溫度、pH、分子濃度等）具有挑戰(zhàn)性。雖然液相色譜、化學(xué)滴定、質(zhì)譜和電化學(xué)等方法可用於分析微流控芯片內(nèi)的微環(huán)境，但這些策略需要大型儀器的協(xié)助，且難以提供環(huán)境參數(shù)的空間分布信息，限制了我們對(duì)微流控裝置中動(dòng)態(tài)環(huán)境的原位操縱和理解能力。

近年來(lái)，基于響應(yīng)光子晶體的分析方法因其非接觸式、視覺傳感特性而備受關(guān)注。光子晶體由于其周期性有序的納米結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的光子帶隙，呈現(xiàn)出明亮、不褪色的結(jié)構(gòu)色，可通過改變其物理參數(shù)（即有序納米結(jié)構(gòu)的反射率和周期性）來(lái)改變。當(dāng)與刺激響應(yīng)水凝膠結(jié)合時(shí)，這些材料（通常被稱為光子晶體水凝膠（PCHs））獲得了將各種機(jī)械和生化信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的能力，這可以很容易地通過光譜儀或相機(jī)記錄下來(lái)。這一特性使得PCHs成為透明微流控裝置中原位分析的理想候選者。然而，受限于制造技術(shù)，目前PCHs傳感器大多以亞毫米級(jí)薄膜、球體或纖維的形式產(chǎn)生，缺乏構(gòu)造成微小且精心設(shè)計(jì)形式的可能性。此外，PCHs傳感器與微流控裝置的集成是基于手工組裝，傳感器（尤其是在3D空間中）的精確放置對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。這些問題極大地限制了這些有前途的材料在微流控系統(tǒng)中的可能應(yīng)用。

為解決上述問題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種利用雙光子光刻（TPL）和犧牲支架直接在微流控芯片中所需位置寫入具有精確幾何形狀和不同組成的PCH傳感器的多功能且高度可控的策略。他們展示了具有各種幾何設(shè)計(jì)和成分的PCH微型傳感器可以利用商業(yè)雙光子直接寫入系統(tǒng) (Nanoscribe Photonic Professional GT+, Germany) 精確地在3D基底上的所需位置制造，從而產(chǎn)生以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的多功能PCH傳感系統(tǒng)。利用這種PCH傳感系統(tǒng)，只需在顯微鏡下就可以對(duì)微流控裝置中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行時(shí)空監(jiān)測(cè)。

為驗(yàn)證這一策略的可行性，研究人員首先展示了用于pH傳感的PCH微型傳感器的構(gòu)建和表征。通常，PCH可以直接通過固化含有水凝膠前體和單分散納米顆粒（NPs）的溶液來(lái)形成。在這種情況下，溶液中NPs的有序自組裝高度依賴于它們的靜電相互作用，這對(duì)NPs的Zeta電位和溶劑極性敏感。因此，為了產(chǎn)生具有鮮艷結(jié)構(gòu)色的PCH，溶液的介電常數(shù)必須受到嚴(yán)格控制，這對(duì)可用的單體、引發(fā)劑和添加劑的類型設(shè)置了很大的限制。例如，在實(shí)驗(yàn)中，帶負(fù)電荷的單分散二氧化硅NPs可以在含有Bis和AAm的溶液中自組裝成周期性結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)色。當(dāng)將pH響應(yīng)的帶負(fù)電荷單體AA添加到前體中時(shí)，溶液中負(fù)電荷的增加導(dǎo)致電荷遮罩效應(yīng)的增強(qiáng)，從而導(dǎo)致SiO2 NP自組裝的中斷，進(jìn)而導(dǎo)致溶液結(jié)構(gòu)色的喪失。因此，直接用AA生成PCH變得具有挑戰(zhàn)性。而通過使用含有二硫鍵的可降解水凝膠網(wǎng)絡(luò)作為犧牲支架，預(yù)先鎖定二氧化硅NPs的有序排列，可以很容易地解決這個(gè)問題。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二硫鍵交聯(lián)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)可以在DLW過程中鎖定二氧化硅NPs的有序排列，避免了帶負(fù)電荷的AA和激光焦點(diǎn)的干擾。TPL制造后，二硫鍵交聯(lián)的水凝膠網(wǎng)絡(luò)可以在還原環(huán)境下降解，留下加工后的具有周期性排列二氧化硅納米顆粒的3D微水凝膠。所得水凝膠的拉曼光譜與直接使用前體（無(wú)犧牲支架）形成的水凝膠相同，表明它們的組成相似。

由于羧基化水凝膠網(wǎng)絡(luò)對(duì)pH有響應(yīng)，當(dāng)環(huán)境pH值增加時(shí)，羧基變得離子化并帶負(fù)電，由此產(chǎn)生的靜電排斥導(dǎo)致水凝膠溶脹。因此，在實(shí)驗(yàn)中，制造的PCH微立方體可以用作微型傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中的pH變化。為了研究TPL加工參數(shù)對(duì)PCH微型傳感器響應(yīng)性的影響，研究人員使用可變的激光功率和掃描速度創(chuàng)建了一個(gè)水凝膠微立方體陣列。將獲得的陣列浸入不同pH值的緩沖液中，記錄每個(gè)微立方體的顏色和反射光譜。結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境pH從4.4增加到6.0時(shí)，PCHs上觀察到明顯的顏色變化，這可以通過反射光譜法測(cè)試得到證實(shí)。PCH微型傳感器的傳感性能受到它們?cè)诳梢姽夥秶鷥?nèi)可實(shí)現(xiàn)的最大藍(lán)移/紅移的限制。有趣的是，PCH微型傳感器的響應(yīng)被發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈依賴于它們的加工參數(shù)。隨著曝光量的增加（更高的激光功率或更慢的掃描速度），PCH在pH變化期間表現(xiàn)出更明顯的顏色變化，這通過反射光譜和色調(diào)值測(cè)量得到了證實(shí)。通過測(cè)量PCH在不同加工參數(shù)下的最大溶脹率，可以得出結(jié)論，當(dāng)環(huán)境pH變化時(shí)，具有較高曝光劑量的PCH的最大溶脹率更大，導(dǎo)致更明顯的結(jié)構(gòu)顏色變化。這可能是因?yàn)檩^大的曝光量會(huì)導(dǎo)致較大量的固化響應(yīng)單體，從而在所得水凝膠網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生更多的羧基，從而提高PCH的響應(yīng)性，并導(dǎo)致響應(yīng)于環(huán)境pH變化的更強(qiáng)溶脹能力。這意味\著制造的PCH傳感器的靈敏度可以通過控制加工參數(shù)來(lái)精確調(diào)整，為該策略提供了很大的靈活性。

由于羧基的電離是可逆的，PCH微型傳感器是可重復(fù)使用的。研究人員通過將微水凝膠（No. 9）重復(fù)置于pH 4.8和5.6下1分鐘，并每次記錄其反射峰來(lái)研究這種潛能。結(jié)果顯示，PCH微型傳感器在多次測(cè)試循環(huán)中表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，證實(shí)了其連續(xù)和原位pH監(jiān)測(cè)的能力。

含AA的水凝膠網(wǎng)絡(luò)還可通過水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)電荷和蛋白質(zhì)分子中的正電荷的組合來(lái)靜電吸附蛋白質(zhì)分子，從而可用於非特異性蛋白質(zhì)感應(yīng)。為了證實(shí)這一點(diǎn)，研究人員將含有AA的PCH傳感器置于牛血清白蛋白（BSA）溶液中，觀察到隨著蛋白質(zhì)濃度的增加，靜電吸附的發(fā)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色的紅移。因此，利用含有AA的PCH傳感器，也有可能原位分析細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中蛋白質(zhì)分子的數(shù)量。

由于二硫鍵對(duì)大多數(shù)常用溶劑、單體和光引發(fā)劑的穩(wěn)定性，可以將各種前體引入犧牲支架中，以產(chǎn)生對(duì)環(huán)境中不同刺激作出反應(yīng)的各種PCH傳感器。例如，研究人員開發(fā)了一種可以響應(yīng)液體環(huán)境中微量金屬陽(yáng)離子的PCH傳感器。該傳感器是使用由苯并-18-冠-6-丙烯酰胺、Bis和AAm組成的響應(yīng)水凝膠前體制造的。隨著金屬離子濃度的增加，金屬陽(yáng)離子不斷與水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的苯并-18-冠-6-丙烯酰胺結(jié)合，帶電螯合物結(jié)構(gòu)之間的排斥使水凝膠溶脹，因此微型傳感器的反射峰發(fā)生紅移。

該團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了在更復(fù)雜的情況下制造PCH傳感器的可能性。例如，在微通道側(cè)壁上預(yù)留的微孔中創(chuàng)建PCH微型傳感器，這是傳統(tǒng)傳感器制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。SEM圖像和光學(xué)圖像證實(shí)了PCH微型傳感器在所需位置的存在，顯示了該策略的靈活性和準(zhǔn)確性。這意味\著可以在微流控裝置中的任何目標(biāo)位置部署PCH微型傳感器。

結(jié)合PCH的原位傳感能力和其制造策略的精確加工能力，可以構(gòu)建PCH傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)微環(huán)境中的變化進(jìn)行時(shí)空響應(yīng)。