基于回音壁模式激光的液晶微腔生物传感器实现肝损伤实时监测

为解决肝损伤实时监测中传统检测方法操作复杂、成本高且灵敏度有限的问题，研究人员开发了一种基于功能化液晶微腔和回音壁模式(WGM)激光的生物传感器。该传感器通过ALT催化酶反应诱导液晶分子重构，利用高Q因子微腔增强光-物质相互作用，实现了0-240 U/l范围内ALT浓度的快速、高灵敏度检测，体外和体内实验验证了其临床适用性。这项研究为肝损伤早期诊断提供了简便、低成本且高效的实时监测新方法。

　　

肝脏健康监测在临床诊断中至关重要，而丙氨酸氨基转移酶(ALT)作为肝细胞损伤的关键生物标志物，其检测方法的局限性长期困扰着医学界。传统技术如电化学法、比色法和荧光法虽广泛应用，却面临仪器笨重、步骤繁琐和耗时长等瓶颈，难以满足术中监测和居家医疗等实时场景需求。更棘手的是，现有方法对早期肝损伤的敏感阈值(40-200 U/l)检测能力不足，可能延误最佳干预时机。

针对这一临床痛点，国内研究机构开发了基于功能化液晶(LC)微腔的回音壁模式(WGM)激光生物传感器。这项发表于《Research》的创新研究，巧妙利用液晶分子的光学各向异性和可调性，通过表面修饰硬脂酸的5CB液晶微腔，实现了对ALT催化反应的实时光学响应。研究人员采用有限时域差分法(FDTD)模拟了径向与双极构型转换时的电场分布变化，结合偏振光学显微镜(POM)和WGM光谱分析，建立了ALT浓度与反应时间的线性关系模型(灵敏度达0.67 s/(U/l))。关键技术包括：微流控法制备功能化LC微腔、WGM激光光谱实时采集、基于CCl₄诱导的小鼠肝损伤模型血清验证等。

【结果与讨论】

1. 传感原理验证

   通过对比不同pH下LC微腔的WGM光谱偏移（最大红移达1.2 nm）和POM图像，证实硬脂酸修饰的5CB分子在酶反应产物诱导下发生径向-双极构型转变，该过程伴随折射率从n_oo(1.54)到n_ee的显著变化。FDTD模拟显示，构型转换导致TE模电场分布重构，增强光-物质相互作用。

2. ALT浓度定量分析

   在0-240 U/l临床关键区间内，建立ALT浓度与反应时间的负线性关系（R²>0.98）。40 U/l阈值检测仅需270秒，且相邻30秒间隔的波长偏移量（0.15-0.3 nm）可区分轻度(40-80 U/l)、中度(80-200 U/l)和重度(>200 U/l)肝损伤。

3. 体内外验证

   小鼠血清实验显示，CCl₄诱导的肝损伤组(B1/B2)反应时间(210-240秒)显著短于对照组，与商用试剂盒结果一致。通过分析WGM光谱稳定时间及偏移幅度，实现ALT活性的无标记检测。

该研究突破性地将液晶光子学与酶催化动力学结合，开发的WGM生物传感器具有三大优势：一是超高灵敏度（Q因子达0.84×10⁴），可捕捉nM级ALT变化；二是实时动态监测，时间分辨率达秒级；三是简化操作流程，仅需微量血清样本。这不仅为肝损伤早期诊断提供新工具，更开创了液晶微腔在生物医学传感的新应用范式。未来通过集成微流控芯片，有望实现便携式床旁检测，推动个性化肝健康管理发展。