近年来，基于液晶液滴的生物传感器得到了迅速发展，在细菌、病毒、酶活性、蛋白质及生物分子相互作用等检测方面表现突出。由于液晶液滴生物传感器的检测性能与液晶液滴的尺寸大小、均一性以及界面的特异识别能力密切相关。因此，制备具有尺寸可控、界面化学可调的液晶液滴成为当前研究的重点。

近日，清华大学杨忠强团队在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2022年第12期发表了题为“液晶液滴制备及其在生物检测领域的应用”的综述文章。该综述着重概述了近年来液晶液滴制备的研究进展及其在生物检测领域应用中的发展状况，同时介绍了液晶液滴复合材料，最后讨论了液晶液滴生物传感器目前遇到的瓶颈以及未来可能的研究方向。

  1. 背景  

1998年，美国威斯康星-麦迪逊大学Nicholas L. Abbott课题组首次提出将液晶用于生物传感检测。液晶传感器的检测原理在于液晶分子具有较大的长径比，可以形成长程有序的取向，目标物的存在会诱导局部液晶分子发生取向转变，继而被体相液晶传导放大至微米级别，在偏光显微镜下转化为肉眼可见的光学信号。例如，呈现特异的颜色、亮度和图案，从而实现对目标物的检测。

  2. 液晶液滴的取向  

液晶液滴有两种常见取向，例如在液滴两极出现点缺陷的两极取向和液滴中心出现点缺陷的径向取向（如图1）。一些化学和生物物质在液晶液滴表面的吸附和反应可能改变液晶液滴表面锚定能和内部液晶弹性能，诱导液晶液滴取向发生转变。例如，当两亲分子在液晶表面吸附，液晶液滴会发生由两极取向至径向取向的转变。同时，液滴的大小也会影响液滴的取向，因此制备取向和尺寸可控的液晶液滴决定其检测性能。

图1：液晶分子结构及液晶液滴取向示意图

图源：Angewandte Chemie International Edtion, 2009, 48(9): 1652-1655, Fig. 2.

  3. 液晶液滴的制备  

目前已经报道了利用超声法、超声涡流法、微流控法、胶囊模板法和超重力技术制备液晶液滴。其中，超声法制备液晶液滴，操作简单，但是液晶液滴尺寸不够均一。随后改进的超声涡流法所获得的液晶液滴均一性有所提高，但仍未能达到尺寸单分散分布。微流控法制得的液晶液滴尺寸可调、分散窄，同时具有快速分析、易集成和重复性好等优点，但是，在该体系中，液体的流动会对液晶取向产生干扰，并且，仍难以制备小尺寸液晶液滴（< 10 μm）。胶囊模板法操作相对复杂，但是可以制备出小尺寸（< 10 µm）的单分散液晶液滴，并且其表面化学可控。超重力技术则可以实现大量、单分散液晶液滴快速、简易的制备，有望满足液晶液滴乳液领域工业化生产的需求。

  4. 液晶液滴生物传感器的检测应用  

4.1   液晶液滴检测和区分细菌和病毒

2009年，Nicholas L. Abbott课题组报道了利用液晶液滴实现了对不同类型的细菌（革兰氏阴性和阳性细菌）和病毒（包膜和非包膜型）的检测区分。当裸液晶液滴与革兰氏阴性细菌和包膜型病毒接触后，其表面存在的两亲性磷脂会迁移并吸附到液晶液滴表面，发生由两极取向至径向取向的转变；而与表面不含两亲性磷脂的革兰氏阳性细菌和非包膜型病毒接触后液晶液滴保持两极取向。由此，该体系可以灵敏地响应出浓度低至10⁴ pfu mL⁻¹的病毒。
在后续的工作中，该课题组进一步提出利用液晶液滴对大肠杆菌内毒素进行实时、高灵敏的检测。研究发现pg/mL的大肠杆菌内毒素就可以诱导液晶液滴由两极缺陷至中心缺陷的转变（图2），其与大肠杆菌内毒素主要成分磷脂A在液晶液滴表面的吸附有关。另外将液晶液滴传感器与机器学习方法结合，可以实现对内毒素不同细菌来源的分类及定量。

图2：液晶液滴检测大肠杆菌内毒素图源：Science, 2011, 332(6035): 1297-1300, Fig. 1.

4.2 液晶液滴检测酶活性  

2009年，Nicholas L.Abbott课题组利用磷脂L-二棕榈酰磷脂酰胆碱（L-DLPC）修饰的液晶液滴实现对磷脂酶A₂（PLA₂）的酶活性检测。研究发现酶PLA₂对L-DLPC水解作用会破坏其在液晶液滴表面的吸附，引起液晶液滴发生由径向到两极取向的转变（图3），由此实现对PLA₂酶活性的检测。与之前报道的基于液晶-水相平面界面的检测体系相比，液晶液滴体系对PLA₂的响应速度提高了约5倍。另外，通过设计合成含有酶切位点的两亲性多肽序列，将其吸附到液晶液滴表面，就可以实现对一系列特定酶活性以及生物分子间相互作用的检测。除此之外，还可以利用酶解反应引起环境pH的变化，间接影响两亲分子在液晶液滴表面的吸附，进而诱导液晶取向发生转变，实现对溶血素、青霉素酶等酶活性的检测。

4.3 细胞可穿戴的液晶液滴传感器及细胞环境的检测 2013年，Nicholas L. Abbott课题组首次报道了细胞可穿戴的液晶液滴传感器。首先制备了聚电解质外壳包裹的液晶液滴胶囊，随后发现单个细胞表面可以通过静电作用沉积、吸附多个液晶胶囊。当细胞环境中存在一些具有细胞毒性的小分子阳离子型表面活性剂时，其可以穿过胶囊外壳，吸附到液晶液滴表面，诱导液晶由两极取向转变为径向取向（图4）。该研究成果为在单细胞水平实时、局部监测化学环境提供了新方法。2016年，清华大学化学系Jin-MingLin课题组报道了利用不同细胞释放NH ₃ 量不同对液晶液滴取向转变速度的影响，实现细胞系和细胞异质性的区分。2021年，美国威斯康星-麦迪逊大学David M. Lynn课题组报道了将液晶液滴内化到细胞内，为实时监测细胞内环境提供了新思路和新平台。

4.4 液晶液滴传感器用于其它生物分子的检测 2022年，清华大学化学系Zhongqiang Yang课题组将DNA纳米技术的可编程性与液晶液滴的传感特性相结合，构建了具有特异响应性的DNA修饰的液晶液滴。首先制备两亲分子DNA-C18，通过大功率的针尖超声法得到DNA-C18修饰的液晶液滴。随后，将具有特异识别功能的核酸适配体序列引入到两亲分子DNA-C18中，由此便得到了具有特异响应性的液晶液滴，通过聚集或者分散现象的发生，实现对 Hg²⁺ 、凝血酶和DNA酶等物质的特异性检测。除了DNA，液晶液滴传感器还被报道用于检测葡萄糖、乙酰胆碱酯酶抑制型农药、胆酸和尿素等。
4.5 液晶液滴复合材料 为了提高传统液晶液滴溶液体系的便携性和材料成型问题，2016年，美国中佛罗里达大学Jiyu Fang课题组将液晶液滴嵌入水凝胶膜材料中。该研究首先制备了壳聚糖稳定的液晶液滴乳液，此时，表面活性剂十四烷基硫酸钠盐仍可以吸附到液晶液滴表面。随后，通过Ag⁺触发CHI的凝胶化反应，形成镶嵌液晶液滴的CHI水凝胶膜。该膜材料易制备、成本低、稳定性好、使用方便，并且可以实现对肝脏和肠道疾病临床诊断的生物标志物脱氧胆酸和胆酸的免标记检测。

4.6 液晶液滴的表面固定及其应用 针对现有液晶液滴存在流动性、难以固定观察其取向等问题，2010年，Nicholas L. Abbott课题组设计了PEI/PVDMA聚电解质包裹的液晶液滴，其可以通过弱且可逆的阴阳离子相互作用固定到带负电的羧基官能化的基底表面，或者通过伯胺与氨内酯官能化的基底表面反应，形成共价键而固定在基底表面。由此得到的固定化液晶液滴可以在干燥条件下至少保存6个月，解决了液晶液滴在表征、稳定性和存储性等问题。
2022年，Zhongqiang Yang课题组则报道了利用DNA碱基特异性识别作用，实现液晶液滴在图案化基底表面的固定。该工作制备了DNA修饰的液晶液滴，结合微接触印刷技术，通过碱基互补配对作用实现液晶液滴的固定和图案化，为表面信息可视化、产品防伪提供了新方法。另外，结合DNA核酸适配体的发展，该工作为检测试剂盒的设计提供新思路。

  5. 结论与展望  

近年来，基于液晶液滴的生物传感器得到了迅速发展，目前已经实现了对DNA和蛋白质等生物大分子、病毒和细菌等微生物、葡萄糖等生物相关小分子的检测，并且实现了液晶液滴在固体基底表面的固定化。但是，目前液晶液滴传感器仍面临以下几点亟待解决的问题：首先，需要制备小于10 μm且尺寸均一的液晶液滴；其次，开发对液晶和液晶液滴界面进行特异性化学/生物修饰通用、简单的方法；将液晶液滴传感器与深度学习技术结合，将进一步提升其精准性和实用性。最后，发展液晶液滴尺寸的精确控制和大规模生产的制备工艺，推动液晶液滴检测领域的工业化发展。

  论文信息  

杨秀秀，田艺，杨忠强. 液晶液滴制备及其在生物检测领域的应用[J].液晶与显示, 2022, 37(12):1531-1545.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0215