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東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院院長顧忠澤團隊在Chemical Engineering Journal上發(fā)表了相關論文，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）技術在微流控裝置中構建光子晶體水凝膠（PCH）傳感系統(tǒng)。

微流控裝置因其能夠創(chuàng)造模擬體內微環(huán)境的復雜動態(tài)環(huán)境，常用于細胞培養(yǎng)、藥物篩選和器官芯片應用。然而，由于其封閉結構，獲取內部環(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、化學滴定、質譜和電化學等方法可用於分析微流控芯片內的微環(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，限制了我們對微流控裝置中動態(tài)環(huán)境的原位操縱和理解能力。

近年來，基于響應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注。光子晶體由于其周期性有序的納米結構所產生的光子帶隙，呈現(xiàn)出明亮、不褪色的結構色，可通過改變其物理參數(shù)（即有序納米結構的反射率和周期性）來改變。當與刺激響應水凝膠結合時，這些材料（通常被稱為光子晶體水凝膠（PCHs））獲得了將各種機械和生化信號轉換為光信號的能力，這可以很容易地通過光譜儀或相機記錄下來。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，目前PCHs傳感器大多以亞毫米級薄膜、球體或纖維的形式產生，缺乏構造成微小且精心設計形式的可能性。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）的精確放置對于現(xiàn)有技術來說具有相當大的挑戰(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)中的可能應用。

為解決上述問題，該團隊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計和成分的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，從而產生以前無法實現(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微流控裝置中的環(huán)境參數(shù)進行時空監(jiān)測。

為驗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NPs的Zeta電位和溶劑極性敏感。因此，為了產生具有鮮艷結構色的PCH，溶液的介電常數(shù)必須受到嚴格控制，這對可用的單體、引發(fā)劑和添加劑的類型設置了很大的限制。例如，在實驗中，帶負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構，從而產生明亮的結構色。當將pH響應的帶負電荷單體AA添加到前體中時，溶液中負電荷的增加導致電荷遮罩效應的增強，從而導致SiO2 NP自組裝的中斷，進而導致溶液結構色的喪失。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絡作為犧牲支架，預先鎖定二氧化硅NPs的有序排列，可以很容易地解決這個問題。

實驗結果表明，二硫鍵交聯(lián)的水凝膠網絡可以在DLW過程中鎖定二氧化硅NPs的有序排列，避免了帶負電荷的AA和激光焦點的干擾。TPL制造后，二硫鍵交聯(lián)的水凝膠網絡可以在還原環(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絡對pH有響應，當環(huán)境pH值增加時，羧基變得離子化并帶負電，由此產生的靜電排斥導致水凝膠溶脹。因此，在實驗中，制造的PCH微立方體可以用作微型傳感器來監(jiān)測周圍環(huán)境中的pH變化。為了研究TPL加工參數(shù)對PCH微型傳感器響應性的影響，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，記錄每個微立方體的顏色和反射光譜。結果顯示，當環(huán)境pH從4.4增加到6.0時，PCHs上觀察到明顯的顏色變化，這可以通過反射光譜法測試得到證實。PCH微型傳感器的傳感性能受到它們在可見光范圍內可實現(xiàn)的最大藍移/紅移的限制。有趣的是，PCH微型傳感器的響應被發(fā)現(xiàn)強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值測量得到了證實。通過測量PCH在不同加工參數(shù)下的最大溶脹率，可以得出結論，當環(huán)境pH變化時，具有較高曝光劑量的PCH的最大溶脹率更大，導致更明顯的結構顏色變化。這可能是因為較大的曝光量會導致較大量的固化響應單體，從而在所得水凝膠網絡上產生更多的羧基，從而提高PCH的響應性，并導致響應于環(huán)境pH變化的更強溶脹能力。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)來精確調整，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使用的。研究人員通過將微水凝膠（No. 9）重復置于pH 4.8和5.6下1分鐘，并每次記錄其反射峰來研究這種潛能。結果顯示，PCH微型傳感器在多次測試循環(huán)中表現(xiàn)相對穩(wěn)定，證實了其連續(xù)和原位pH監(jiān)測的能力。

含AA的水凝膠網絡還可通過水凝膠網絡中的負電荷和蛋白質分子中的正電荷的組合來靜電吸附蛋白質分子，從而可用於非特異性蛋白質感應。為了證實這一點，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，觀察到隨著蛋白質濃度的增加，靜電吸附的發(fā)生導致結構色的紅移。因此，利用含有AA的PCH傳感器，也有可能原位分析細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中蛋白質分子的數(shù)量。

由于二硫鍵對大多數(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，以產生對環(huán)境中不同刺激作出反應的各種PCH傳感器。例如，研究人員開發(fā)了一種可以響應液體環(huán)境中微量金屬陽離子的PCH傳感器。該傳感器是使用由苯并-18-冠-6-丙烯酰胺、Bis和AAm組成的響應水凝膠前體制造的。隨著金屬離子濃度的增加，金屬陽離子不斷與水凝膠網絡中的苯并-18-冠-6-丙烯酰胺結合，帶電螯合物結構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。

該團隊還測試了在更復雜的情況下制造PCH傳感器的可能性。例如，在微通道側壁上預留的微孔中創(chuàng)建PCH微型傳感器，這是傳統(tǒng)傳感器制造方法無法實現(xiàn)的。SEM圖像和光學圖像證實了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確性。這意味\著可以在微流控裝置中的任何目標位置部署PCH微型傳感器。

結合PCH的原位傳感能力和其制造策略的精確加工能力，可以構建PCH傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對微環(huán)境中的變化進行時空響應。