无需标记也能测：液晶微滴微腔激光读出诺氟沙星

抗生素的发现与应用显著改变了医疗体系并长期助力传染病防控，但随之带来残留与环境暴露问题。诺氟沙星作为早期喹诺酮类广谱抗菌药，在医药与兽医领域广泛使用，过量摄入可能引发胃肠不适、肝肾损伤并促进耐药性形成；同时，多数抗生素难以生物降解，即使在ng/L等极低浓度也可能诱导耐药性扩散，因此有必要对食品与环境介质中的诺氟沙星残留进行灵敏监测以保障环境与公众健康。目前电化学、荧光、ELISA与HPLC等方法可用于检测，但在现场快速、低背景干扰与高精度定量方面仍存在不足。液晶传感可将界面微弱分子事件放大为取向变化，但传统偏光显微镜读数依赖主观观察，难以实现定量与高精度检测，成为液晶传感推广的关键限制。为解决上述问题，本研究将DNA适配体的高选择性识别与液晶微滴耳语回廊模光谱读出结合，以共振波长漂移作为客观定量信号，利用液晶微滴本身可支持WGM激光并作为探针的优势提升灵敏度与可重复性，从而实现无标记、实时、可定量的诺氟沙星超灵敏检测，并进一步在土壤样品中验证其环境监测应用潜力。

一、设计思路

如图1所示，作者把“液晶作为放大器”和“WGM光谱作为尺子”组合起来：以掺染料的5CB液晶微滴作为微谐振腔，利用微滴与外界介质之间的折射率差使光在微滴表面发生全反射并形成耳语回廊模，从而在泵浦激发下产生稳定的WGM微激光信号。随后在微滴界面引入两类功能层，一类是表面活性剂CTAB用于调控液晶分子锚定与取向状态，另一类是诺氟沙星DNA适配体用于提供高亲和力的特异识别。当诺氟沙星加入后，适配体与目标结合并发生构象变化，形成G-quadruplex结构，引起LC/水界面折射率波动与液晶取向重排，最终表现为WGM激光共振波长的可测漂移。

图1  基于液晶微激光器的诺氟沙星特异识别工作原理。DNA适配体以高亲和力特异结合诺氟沙星，使目标分子选择性锚定于微谐振腔表面，导致微滴界面折射率发生变化；在532nm脉冲激光泵浦下液晶微滴产生WGM微激光信号，与初始光谱相比，诺氟沙星结合后出现共振波长漂移；通过测量WGM激光光谱的波长漂移量，实现诺氟沙星浓度定量。

二、性能表征

首先，作者通过展示不同浓度下谱线整体蓝移的规律，把诺氟沙星浓度与液晶微滴WGM微激光的共振波长漂移建立起定量关系。结果如图2所示，方法灵敏度为13.2nm/(μg/mL)、线性相关R²=0.983以及检出限：0.3 ng/mL，从而证明该平台不仅能检测到目标分子，还能实现高灵敏、可重复的定量分析，且检出限较POM方法降低一个数量级。虽然在某些浓度区间，偏光显微镜下液晶纹理差异不明显，但WGM谱线仍能分辨细微变化，说明用光谱漂移替代纹理观察可以显著降低主观性并提升定量能力。进一步，作者验证了该检测策略的选择性与实际样品可用性。如图3所示，先用多种药物或结构相近物质作为对照，显示只有诺氟沙星能引起显著的波长漂移，证明信号来源于适配体对诺氟沙星的特异结合而非一般性吸附或体系扰动，从而回答“是否会被其他分子干扰”的问题。另外，在土壤加标样品中，另外，在土壤加标样品中，本研究将诺氟沙星设置为0.03、0.05、0.06、0.08μg/mL四个水平进行验证，WGM方法回收率分别为78.6%、75.3%、80.0%、86.25%，RSD为0.55%、0.21%、0.20%、0.36%；与HPLC对应回收率80.02%、76.06%、82.13%、85.14%及RSD0.66%、0.48%、0.56%、0.40%一致性良好（表1），说明该方法在复杂基质中具备可靠的准确性与精密度，可用于实际残留定量监测。

图2  功能化5CB液晶微激光器对诺氟沙星的WGM共振光谱定量响应与动力学表征。(a) 在不同诺氟沙星浓度下，WGM共振光谱随浓度升高整体发生蓝移；(b) 波长与浓度的拟合曲线，用于获得检测灵敏度，实验重复3次；(c) 不同浓度条件下的谱线时间响应曲线，浓度依次为0、3×10^-4、3×10^-3、0.03、0.3、3、300、3×10^4 μg/mL，并给出对应POM图像，尺度50 μm；(d,e) 给出不同浓度的结构转变完成时间，以及在0.3×10^3 μg/mL条件下每60 s记录的WGM谱随时间演化，用于评估反应过程与信号稳定性。

图3  诺氟沙星(NOX)检测的特异性分析与土壤样品验证。(a) NOX检测特异性分析的示意流程；(b) 八种药物引起的共振波长漂移对比；(c) 不同NOX浓度土壤样品的WGM光谱响应；(d) 同一腔模在NOX浓度递减过程中的二维相关光谱；(e) 不同土壤样品中NOX的响应时间曲线；(f) 土壤样品中NOX检测的回收率结果；所有实验至少重复三次。 

表1  液晶生物传感器在土壤样品中检测诺氟沙星（n=3）。

综上，本研究将DNA适配体的特异识别与液晶微滴耳语回廊模微激光读出耦合，把界面分子结合事件转化为可量化的共振波长漂移，突破了传统液晶传感依赖偏光显微镜观察而难以客观定量的瓶颈，体现了无标记、实时与高灵敏的创新价值。其局限在于体系对微滴尺寸与界面状态一致性较敏感，实验仍依赖泵浦光源与光谱采集装置，复杂基质中仍可能存在吸附与离子强度等干扰，且适配体与表面活性剂条件的长期稳定性有待验证。未来可通过微流控实现标准化制备与自动化测试，开发便携式光谱读出模块，提升抗干扰与可重复性，并扩展至多靶标适配体阵列，实现环境与食品中多类污染物的快速现场筛查。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.microc.2025.116766