肝损伤监测方案——哈尔滨工程大学李寒阳课题组提出基于回音壁模式激光的实时生物传感器

研究背景

在生物医学检测中，如何实现对关键生物标志物的快速、准确和实时监测，一直是临床诊断与个体化治疗的核心需求。其中，肝功能监测尤为重要。丙氨酸氨基转移酶（ALT）作为肝细胞损伤的核心生物标志物，其血清浓度变化直接反映肝损伤程度。肝功能的实时监测对于疾病早期诊断、药物毒性预警及临床治疗具有重要意义。

常见的ALT检测方法如电化学方法、比色法和荧光法，在临床中已经得到广泛应用，但通常需要大型仪器、样品预处理、较长检测周期，这不仅增加了检测成本，也限制了其实时性和便捷性。近年来，部分新兴技术如基于表面等离激元、光子晶体或微流控平台等检测方法被提出，提高了检测灵敏度，但其复杂的操作流程仍难以满足临床手术监护与居家健康管理等实时检测需求。

因此，亟需发展一种灵敏度高、操作简便、低成本、可实时监测的新型检测手段，用于实现ALT的快速、无标记检测，服务于肝损伤的早期诊断与干预。这不仅对肝损伤的早期诊断具有重大意义，也将为疾病进程的动态追踪、个体化诊疗方案的制定提供全新的思路。

研究进展

近期，哈尔滨工程大学李寒阳课题组联与罗斯霍曼理工学院李彦增课题组将功能化液晶微腔与回音壁模式（WGM）激光技术相结合，构建了一种新型的实时生物传感平台（图1），实现了对丙氨酸氨基转移酶（ALT）的高灵敏检测

研究团队通过在液晶微腔中引入硬脂酸作为功能化分子，利用其pH响应特性，使系统能够对ALT酶促反应过程中引起的pH变化做出显著响应。这一过程会改变界面锚定条件，驱动液晶分子在径向与双极构型之间发生可逆转变。分子取向的变化直接引起微腔有效折射率的改变，从而导致回音壁模式（WGM）激光共振波长的可测红移，实现对ALT活性的实时、无标记光学读出。光学表征结果显示，该功能化液晶微腔在532 nm激光泵浦下可形成稳定的WGM激光，其较高的品质因子保证了对微小折射率扰动的高分辨检测能力。与传统依赖偏光显微成像的液晶传感相比，WGM光谱对pH浓度变化表现出更敏锐的响应。此外，有限差分时域（FDTD）仿真揭示了径向与双极态下电场分布的显著差异，为实验观测的光谱红移提供了理论支撑。

实验进一步揭示，在0–240 U/L的范围内，ALT浓度与反应完成时间高度线性相关，灵敏度达到0.67 s/(U/L)，并能根据完成时间和谱峰变化特征，实现对轻度（40–80 U/L）、中度（80–200 U/L）及重度（>200 U/L）肝损伤的分级判定，提供了更加精细化的肝功能监测标准量化依据。

此外，该传感平台不仅在体外实验中表现出优异的检测性能，还在小鼠血清体内实验中验证了与商业检测试剂盒结果的一致性，进一步证明了其实用性与临床转化潜力。

未来展望

基于液晶微腔与WGM激光的ALT检测策略为实时、无标记、高灵敏度的生物检测提供了全新思路。未来，该平台有望拓展至多种临床相关的酶活性与代谢指标检测，并可与微流控芯片、可穿戴光学传感器相结合，构建便携化、智能化的肝功能监测设备。总体而言，该研究不仅为肝损伤早期诊断提供了新工具，也展示了液晶微腔在生物医学与光子学交叉领域的巨大潜力。

原文链接：https://doi.org/10.34133/research.0824