研究人员已经展示了用于检测或分析物质的基于芯片的传感设备的显着改进。这些成就为高度灵敏的便携式集成光流控传感设备奠定了基础，这些设备可用于同时执行各种类型的医学测试，即使它们涉及完全不同类型的生物颗粒(例如病毒颗粒和DNA)且浓度差异很大。

据《Optica》杂志报道，加州大学圣克鲁斯分校(UCSC)WMKeck纳米光流控中心的HolgerSchmidt领导的研究人员将新的信号处理技术应用于基于光流控芯片的生物传感器。这些进步使得能够对浓度从阿摩尔到纳摩尔的八个数量级的纳米珠混合物进行无缝荧光检测。这将这些传感器的工作浓度范围扩大了10,000倍以上。

施密特说：“这项工作是我们开发集成光流控传感设备的最新一步，该设备足够灵敏，可以检测单个生物分子并在很宽的浓度范围内工作。”“我们已经证明，这可以通过单一方法来完成，这使我们能够同时测量和区分多种颗粒类型，即使它们具有非常不同的浓度。”

创建多用途测试设备

尽管已经开发了多种类型的基于芯片的测试设备，但大多数都集中于一种目标或一种测试类型，因为生物分子有多种不同的形式且数量差异很大。例如，用作疾病生物标志物的各种蛋白质的浓度可能相差十多个数量级。

施密特的团队与杨百翰大学的亚伦·霍金斯合作，正在开发一个可用于多种类型分析的测试平台。它基于光流控芯片，将光学器件和微流控通道结合在硅或塑料芯片上。通过用激光束照射颗粒，然后用光敏探测器测量颗粒的响应来检测颗粒。

研究人员此前已证明，他们的平台具有执行各种类型分析所需的灵敏度，并且可以检测许多不同的颗粒类型，包括核酸、蛋白质、病毒、细菌和癌症生物标志物。然而，到目前为止，他们一直使用单独的探测器和信号分析技术来测量高浓度和低浓度的颗粒。这是必要的，因为如果一种类型的颗粒类型以非常高的浓度存在，它会产生非常大的响应，从而压倒来自低浓度存在的另一种颗粒类型的小得多的信号。

为了同时检测高浓度和低浓度的分子，研究人员创建了不同的信号调制频率。他们使用高频激光调制来区分低浓度的单个颗粒，并使用低频激光调制在高浓度下同时检测来自许多颗粒的大信号。该图显示了正在运行的光学设置和定制开发的控制软件。图片来源：HolgerSchmidt，加州大学圣克鲁斯分校ECE系

更好的信号处理

在这项新工作中，施密特和研究生VahidGanjalizadeh开发了信号处理方法，可用于同时检测高浓度和低浓度的颗粒，即使浓度事先未知。为此，他们结合了不同的信号调制频率：高频激光调制用于区分低浓度下的单个颗粒，低频激光调制用于同时检测来自高浓度下许多颗粒的大信号。

“其次，我们实现了一个反馈环路，可以检测信号何时非常大，并相应地调整输入激光功率，”施密特说。“通过这种方式，我们可以检测高浓度的大信号，而不会压倒其他物种在低浓度下可能存在的微弱信号。这使我们能够同时检测以非常不同的浓度存在的颗粒。”

研究人员还应用了他们最近开发的一种极快的算法来实时识别低浓度的单粒子信号。机器学习还有助于识别信号模式，以便可以高精度地区分不同的颗粒类型。施密特说：“这些信号分析的进步非常适合在信号质量较差且需要实时数据分析的护理点实现设备操作。”

区分低浓度和高浓度

研究人员通过用不同浓度和不同荧光颜色的纳米珠溶液泵送光流控生物传感器芯片来展示他们的新信号分析方法。他们能够正确识别黄绿色和深红色珠子的浓度，即使它们在混合物中的浓度相差超过10,000倍。

施密特说：“虽然这项工作推进了一种基于光学荧光信号的特定集成传感器，但信号分析技术可用于覆盖较宽浓度范围的任何类型的时间相关信号。”“这可以包括不同的光信号，也可以包括电传感器。”

该团队的光流控生物传感技术目前正在由医疗设备公司FluxusInc进行商业化。研究人员还在努力调整他们的方法来研究来自人工神经元细胞组织类器官的分子产品。该项目是UCSC活细胞基因组学中心(NIH基因组科学卓越中心)的一部分，可以为神经生成疾病和儿科癌症等领域提供进一步的见解。

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