在广泛变化的浓度范围内，到达单分子的检测能够使多种医学测试在一个便携设备上进行。

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的科学家们在芯片式生物传感器方面取得了重大突破，使其浓度检测范围扩大了一万倍以上。这些进展使得单个设备能够同时对不同生物分子进行多种医学测试，即使浓度差异非常大也能胜任。团队利用机器学习实现了高准确度的粒子识别，使得这些设备适用于实时数据分析和医疗现场。

研究人员展示了用于检测或分析物质的基于芯片的传感器设备的显著改进。这些成果为高灵敏度、便携式集成光流体传感装置奠定了基础，即使涉及完全不同类型的生物颗粒（如病毒颗粒和DNA）以及浓度差异极大的情况下，也能同时执行各种类型的医学检测。

根据Optica《光学学报》，这本科学出版集团提供高影响研究的期刊，加州大学圣塔克鲁兹分校(W.M. Keck Center for Nanoscale Optofluidics)的Holger Schmidt教授领导的研究团队，利用新的信号处理技术，将光流体芯片生物传感器的无缝荧光检测应用于纳米粒子混合物。这些先进技术使得该传感器能够在浓度从1阿托摩尔到1纳摩尔的范围内进行检测，该范围的浓度跨越了8个数量级。这将使这些传感器能够工作的浓度范围扩大了10,000倍以上。

“这项工作是我们在开发集成光流体传感器方面的最新一步，这些传感器足够敏感，可以检测单个生物分子，并能在非常广泛的浓度范围内进行工作，”Schmidt说道。“我们已经证明可以通过一种单一的方法来实现这一点，这使得我们能够同时测量和区分多种粒子类型，即使它们有非常不同的浓度。”

创造一款多功能的测试设备

尽管已经开发了许多种基于芯片的测试设备，但大多数都专注于一个特定的目标或测试类型，因为生物分子存在许多不同的形式和数量差异。例如，用作疾病生物标志物的各种蛋白质浓度可能相差十个数量级以上。

Schmidt的研究小组与Brigham Young大学的Aaron Hawkins合作，致力于开发一种可用于多种分析的测试平台。该平台基于光流控芯片技术，该技术将光学和微流体通道结合在硅或塑料芯片上。利用激光束照射颗粒，并通过灵敏光探测器测量颗粒的反应来进行颗粒的检测。

研究人员实施了一种反馈循环，用于检测信号是否非常强大，并相应地调整输入激光功率。这使得他们能够在高浓度下检测到来自其他低浓度物种的弱信号，而不会忽略那些可能存在的高浓度信号。图片来源：加利福尼亚大学圣克鲁兹分校电子与计算机工程系的Holger Schmidt。

研究人员此前已经证实了他们的平台具备进行各种分析所必需的敏感性，并且可以检测到多种不同的粒子类型，包括核酸、蛋白质、病毒、细菌和癌症生物标志物。然而，直到现在，他们一直使用独立的探测器和信号分析技术来测量高浓度和低浓度的粒子。这是必要的，因为如果某种类型的粒子以非常高的浓度存在，它会产生一个非常大的响应，而这个响应会淹没来自其他低浓度粒子的微弱信号。

更好的信号处理

在这项新的研究工作中，Schmidt和研究生Vahid Ganjalizadeh开发了一种信号处理方法，可以同时检测高和低浓度下的粒子，即使之前并不知道浓度的情况下也可以。为了实现这一点，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粒子，低频激光调制用于检测高浓度下同时来自多个粒子的大信号。

“第二，我们实施了一个反馈环路，用于检测信号是否非常强大，并相应地调整输入激光功率，”施密特说道。“通过这种方式，我们可以检测高浓度下的大信号，而不会压倒低浓度下可能存在的另一种物种的微弱信号。这使我们能够同时检测在非常不同浓度下存在的颗粒。”

研究人员还运用他们最近开发的一种极快的算法来实时检测低浓度下的单粒子信号。机器学习也在识别信号模式方面发挥了作用，以便高准确度地区分不同的粒子类型。施密特表示：“这些信号分析的进展非常适合在实时设备操作的医护现场，因为信号质量可能较差，而且实时数据分析是必须的。”

区分低浓度和高浓度

研究人员通过将纳米珠溶液以不同浓度和多种荧光颜色注入光流体生物传感器芯片，展示了他们的新信号分析方法。即使黄绿色和深红色珠子在混合物中的浓度相差逾过一万倍，他们仍能准确地识别出两者的浓度。

“尽管这项工作是基于光学荧光信号的特定集成传感器的进展，但信号分析技术可以用于涵盖广泛浓度范围的任何类型的时间相关信号，”Schmidt说道。“这可以包括不同的光学信号，也包括电传感器。”

该团队的光流控生物传感技术目前正由医疗设备公司Fluxus Inc.进行商业化推广。研究人员还在努力将他们的方法应用于研究人工神经细胞组织器官中的分子产品。这个项目属于UCSC中心的活细胞基因组学项目，也是美国国立卫生研究院（NIH）在基因组科学领域的卓越中心，它可能为神经退行性疾病和儿科癌症等领域提供进一步洞察。