1. 引言：LSAW 生物传感技术的行业痛点与低成本开源方案的必要性
表面声波（SAW）生物传感技术，尤其是 Love 波表面声波（LSAW）传感器，凭借其高灵敏度、实时无标记检测能力及与微流控系统的兼容性，在生物分子检测、细胞动态监测、器官芯片功能评估等领域具有显著潜力。LSAW 传感器通过将声能限制在引导层内，可精准捕捉表面质量负载、粘度变化，特别适合微流控芯片中微量生物样本的分析 —— 这一特性使其成为 3D Cell Culture Chip、organ chip等新兴技术的理想传感伴侣。
乐甫表面声波（LSAW）传感器及系统示意图。（a）该晶体由Z轴传播的AT切石英基底、周期为40µm的铝制叉指换能器（IDTs）（蓝色）和\(SiO_{2}\)引导层组成。感应区域（绿色）覆盖18.6 mm \(18.6 ~mm^{2}\)，其表面涂覆有10 nm厚的铬粘附层和50 nm厚的金层，输入-输出信号触点（黑色）位于此处。（b）系统框图重点展示了集成了LSAW和PDMS芯片的模块。
然而，传统 LSAW 生物传感系统面临三大核心痛点：一是商用 LSAW 器件及配套设备成本高昂，MEMS 加工工艺的复杂性进一步推高制备成本；二是技术垄断性强，少数厂商主导市场导致设备 proprietary（专有化），难以根据科研需求定制，例如无法灵活适配不同规格的 PDMS 芯片或微流控通道设计；三是操作门槛高，需专业仪器（如高端矢量网络分析仪 VNA）及技术人员，限制了资源有限实验室及 decentralized（分散式）检测场景的应用。
为突破这些限制，阿根廷研究团队开发的低成本开源 LSAW 生物传感系统，通过集成商用 LSAW 传感器、PDMS 微流控芯片、3D 打印结构件及定制开源软件，构建了一套可复制、可定制的解决方案。该方案不仅降低了系统总成本（不含传感器约 400 美元，远低于传统商用系统如 OpenQCM 的 1000-4000 欧元），还通过共享 3D 模型、Python 代码及 PDMS 芯片制备流程，推动行业技术普惠，为微流控芯片加工、MEMS 传感集成及器官芯片检测提供了低成本技术路径。
模块分解图。传感器放置在底座上，接着是PDMS芯片，其通过将两个凸片（a）嵌入两个模块孔（b）中，并利用底座导向件（d）固定两个微流控管（c）来实现定位。四个底座柱（e）用作导向件，以方便模块闭合。顶部模块显示了与NanoVNA-H相连的SMA连接器（f）以及与传感器建立电接触的镀金弹簧针（g）。
2. 系统核心设计：LSAW 传感模块与微流控集成的协同优化
该系统的核心优势在于 “模块化设计 + 微流控深度集成”，既保障 LSAW 传感器的高灵敏度，又通过低成本组件实现流体精准控制，具体设计可分为三大模块：
1) LSAW 传感器选型与基础参数
系统采用商用 LSAW 传感器（AWS SNS000069A），谐振频率约 120MHz，基于 Z 传播 AT 切石英衬底构建，表面覆盖铝制叉指换能器（IDTs，周期 40μm）及 SiO₂引导层 —— 这种结构可增强声能约束，提升对表面生物分子相互作用的响应灵敏度。传感器传感区域（18.6mm²）表面镀有 10nm 铬粘附层及 50nm 金层，既保障电学接触稳定性，也为后续表面修饰（如氨基修饰、PEG 修饰）预留空间，可适配抗原 – 抗体结合、细胞粘附等生物传感场景。
2) 微流控集成模块：PDMS 芯片与压力调节设计
微流控功能通过PDMS 芯片实现，该芯片基于 PLA 制备的 PDMS 模具浇筑而成，采用定制矩形密封结构（长 3.8mm、宽 2.6mm、壁厚 0.75mm），可有效防止流体泄漏并定义 2.3mm×1.1mm 的精准传感区域；芯片内设计 0.5mm 直径的 U 型微流控通道，形成约 1.7μL 的接触体积，既能减少样本与试剂消耗，又能确保流体均匀覆盖传感区域 —— 这一设计与 3D 细胞培养芯片的微量流体需求高度契合，未来可通过通道优化适配类器官动态培养监测。
为实现 PDMS 芯片与传感器的精准贴合，模块顶部集成手动 / 自动压力调节组件（3 颗调节螺丝或自动配件），实验验证显示：压力过大会导致 PDMS 密封变形，压迫 IDTs 引发信号衰减；压力不足则易出现流体泄漏，因此需通过 NanoVNA 实时监测插入损耗（IL）与相位变化，确定最优压力参数 —— 这一过程为 PDMS 芯片制备后的装配提供了标准化参考，降低了微流控集成的操作难度。
图3. PDMS芯片设计的不同视图。（a）等轴测视图，突出显示传感器与环境的隔离，仅留下四个开口用于弹簧针接触。（b）横截面视图，详细展示微流控电路，包括放置矩形密封件的中央U形通道。
3) 3D 打印防护与定位组件
系统采用 3D 打印技术制备关键结构件，降低加工成本的同时保障稳定性：
- 防护外壳（Housing A/B）：Housing A 为模块提供初级防护，预留 NanoVNA 线缆与微流控管路接口；Housing B 完全包裹模块，隔绝温度波动、气流及颗粒污染，避免环境干扰影响 LSAW 信号；两者均采用 PLA 材料通过 JLC3DP 平台打印，单件成本低于 4 美元。
- 安装底座：通过高度与间距优化，实现输液泵、LSAW 模块与 NanoVNA 的精准对齐，防止 VNA 线缆弯曲导致的信号干扰，同时为后续集成器官芯片、3D 细胞培养芯片提供标准化安装接口。
安装底座和外壳。（a）外壳A是密封模块的第一道防护屏障。（b）外壳B形成一个完全封装模块的壳体，与外壳A一样，仅允许微流控管路和NanoVNA电缆通过。（c）安装底座使输液泵在高度上与模块和NanoVNA对齐。它还能确保适当的间距，防止矢量网络分析仪电缆弯曲。
3. 关键组件制备工艺：低成本与开源化的实现细节
系统的低成本与开源特性，核心在于关键组件制备工艺的简化与标准化，具体可分为 PDMS 芯片制备、3D 打印部件加工及开源软件定制三大环节：
1) PDMS 芯片制备：标准化流程与低成本模具
模块构造。（a）底座有四个用于固定嵌件的孔。（b）顶部模块有三个用于固定嵌件的孔，若使用调节附件，则中心孔不使用。（c）图中显示了两块固定到位的PCB以及调节附件。还可以看到两对用于用螺钉和螺母安装电子板的孔。
PDMS芯片模具。图中显示了插入金属棒的部件。在中心位置，可以看到形成通道的U形结构和矩形密封件。此外，还能看到四个允许弹簧针通过的柱体。
PDMS 芯片采用 Sylgard 184™套件制备，流程如下：
- 预混与除泡：按 1:10 比例混合弹性体与固化剂，置于真空泵中除泡 1 小时，避免气泡导致微流控通道堵塞；
- 模具浇筑：将混合液注入 PLA 制备的 PDMS 模具（文献中 PLA 模具通过 3D 打印获得，成本约 1 美元），插入金属棒（模拟流体进出口）；
- 固化与脱模：在 52℃烘箱中固化至少 2 小时（选择 52℃是因 PLA 在 60℃以上易变形，需避开其软化温度），冷却后移除金属棒形成进出口通道，最后通过清水循环测试泄漏 —— 该流程无需光刻或 MEMS 加工的复杂设备，实验室可通过常规烘箱、真空泵完成，显著降低 PDMS 芯片制备门槛。
2) 3D 打印部件：性价比与兼容性平衡
所有 3D 打印部件（UV 树脂基底模块、PLA 外壳、安装底座）均通过 JLC3DP 打印模拟器计算成本，其中 UV 树脂部件（基底模块、顶部模块）单件成本低于 1 美元，PLA 部件（Housing B、安装底座）成本介于 1-27 美元之间 —— 相比传统金属或注塑加工（单件成本常超 100 美元），成本降低 90% 以上。同时，团队共享 3D 模型文件（见文献补充材料），用户可根据需求修改尺寸，适配不同规格的 LSAW 传感器或微流控芯片（如器官芯片、3D 细胞培养芯片）。
安装基座结构。（a）系统基座的A部分为结构提供高度，并通过四个螺丝固定到下一部分。（b）B部分由两个通过两个螺丝和螺母连接的部分组成。图中显示了各组件的位置，有两个中心孔用于固定模块基座，其余两个用于连接外壳A。此外，可以看到两个Y形结构，其设计用于固定NanoVNA电缆并防止其移动。最后，有一个区域可以放置一块板或一个部件来收集排出的液体。
运行中的组装系统。从右至左，图像展示了输液泵按压注射器的过程。接下来，可以看到封装模块以及属于NanoVNA的两根黑色电缆。从 tubing 流出的液体收集在一个容器中。
3) 开源 NanoVNA 软件：实时传感分析的定制化优化
定制软件及其各部分。（a）配置部分提供已执行扫描的实时数据，并提供工具来配置扫描参数、调整标记、连接NanoVNA、修改窗口设置、校准仪器以及导出信息。（b）实时结果部分显示相位随时间变化的图表、标记参数，以及基于最大插入损耗检测算法的共振特性计算器。重置会清除所有计算结果和时间图表。（c）S21参数图表部分实时绘制相位和插入损耗曲线。
系统采用 NanoVNA-Type H 作为信号检测设备，基于开源 Python 代码（https://github.com/NanoVNA-Saver/nanovna-saver）进行定制：
- 功能精简：移除射频应用中非必要工具，聚焦生物传感所需的相位与 IL 分析；
- 实时分析：开发连续频率扫描工具，将工作频率固定在 IL 最大值处（该点相位响应近似线性，检测灵敏度最高），支持实时相位 – 时间曲线显示；
- 数据导出：支持 Touchstone 格式（用于深度分析）与 Excel 格式（基于工作频率的简化数据）导出，无需专业数据分析软件即可获取结果。
该软件无需付费授权，用户可基于 Python 环境（如 PyCharm、Visual Studio）直接运行或编译为可执行文件，进一步降低系统的使用门槛。
4. 系统性能验证：从稳定性到生物传感适配性
为确保系统可靠性，研究团队通过多维度实验验证，结果显示其完全满足生物传感的基础需求，且具备拓展至器官芯片、3D 细胞培养芯片检测的潜力：
1) PDMS 芯片密封与流体泄漏测试
PDMS的影响及液体泄漏。（a）五次不同扫描的相位和插入损耗。空气中的曲线（蓝色）作为基线。PDMS A（红色）代表经过最佳压力调节且有蒸馏水循环的芯片。PDMS B（黄色）对应未通蒸馏水且过度拧紧的芯片。最后，展示了一个液体泄漏（紫色）的示例曲线。（b）上述四种情况的相位和插入损耗变化。评估是在空气中响应中观察到的最大插入损耗对应的工作频率点进行的。
实验对比 “空气中传感器响应”“PDMS 芯片最优压力贴合”“PDMS 过紧贴合”“流体泄漏” 四种场景：
- 空气中响应曲线最稳定，IL 振幅最高；
- 最优压力下（PDMS 贴合无泄漏），IL 与相位略有衰减但曲线平滑；
- 过紧贴合导致 PDMS 密封压迫 IDTs，相位与 IL 曲线严重变形；
- 泄漏场景下，曲线衰减剧烈且噪声显著 —— 这一结果为 PDMS 芯片装配提供了明确标准，避免因密封问题影响检测结果。
2) 系统稳定性与灵敏度验证
系统稳定性。可以观察到蒸馏水循环时的相位和插入损耗响应（蓝色）。相位达到稳定状态的点在两条曲线上均用黑色方块标记。
灵敏度和重复性。蒸馏水（蓝色）和磷酸盐缓冲盐水（绿色）的交替循环。流体稳定用黑色方块标记，注射器更换过程的开始用红色方块标记。
通过循环流通蒸馏水与 10mM PBS（pH7.4）验证稳定性与灵敏度：
- 稳定性：系统装配后需静置（停滞蒸馏水）至次日，待 PDMS 密封完全稳定后，相位变化波动可控制在 0.016°-0.031° 之间，满足生物传感的低噪声需求；
- 灵敏度：蒸馏水与 PBS 的相位响应差异显著（平均差值 0.663°），t 检验显示 p<0.001，说明系统可区分不同粘度 / 密度的流体；
- 检测限（LOD）：基于相位噪声计算得 LOD 为 0.153ng/mm²，与现有 LSAW 传感系统水平相当（文献中同类商用系统 LOD 约 0.1-0.2ng/mm²），可满足蛋白质、抗原等生物分子的微量检测。
3) 传感器复用性与工艺优化方向
长期实验发现：传感器表面金层（50nm）因与镀金弹簧针（pogo pins）的反复机械接触，易出现颗粒脱落，影响电学可靠性。为此，团队提出优化方向：
- 增厚金层（通过延长溅射时间或电镀）；
- 采用更软的接触材料（如导电橡胶）减少机械磨损；
这些优化可进一步提升传感器复用性，降低长期使用成本，同时为表面修饰（如固定抗体、适配体）后的生物传感实验提供更稳定的基底。
5. 行业价值与应用前景：推动微流控生物传感的普惠化
该低成本开源 LSAW 系统的推出，对微流控生物传感、器官芯片、3D 细胞培养检测等领域具有显著推动作用：
- 降低技术门槛：无需依赖昂贵的 MEMS 加工设备或 proprietary 软件，科研人员可通过商用 LSAW 传感器、3D 打印与 PDMS 芯片制备，搭建属于自己的生物传感平台，尤其适合资源有限的实验室；
- 适配多场景应用：系统兼容微流控芯片定制，可通过 PDMS 通道优化、表面修饰适配 3D 细胞培养监测（如细胞代谢动态）、器官芯片功能评估（如药物刺激后的信号响应）、POCT 微流控芯片检测（如即时抗原检测）；
- 促进行业协作：开源的 3D 模型、Python 代码与制备流程，可推动全球科研人员共同优化系统（如开发更高效的 PDMS 模具、适配更高频率的 LSAW 传感器），加速技术迭代。
未来，随着 PDMS 芯片制备工艺的进一步简化（如采用光刻胶模具提升通道精度）、MEMS 加工与 LSAW 传感的深度融合（如定制化小型 LSAW 芯片），该系统有望在临床诊断、环境监测、药物筛选等领域实现更广泛的应用，真正推动生物传感技术从 “高端实验室” 走向 “普惠化场景”。
参考文献：https://doi.org/10.3390/hardware3030009
Dxfluidics product ( standard PDMS chip)
本公司也可提供特性化的微流控PDMS芯片加工服务，具体详情，欢迎来电咨询+86-18112558497（同微信），邮箱:sale@dxfluidics.com
| Product Code | Outline （mm） | Height （um） | Width （um） | Thickness （mm） | Chip material | Price （CNY） |
| K0001 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0002 | 45*20 | 50 | 80&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0003 | 45*20 | 50 | 50&100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0004 | 45*20 | 50 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0005 | 45*20 | 50 | 50&100&150 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0006 | 45*20 | 50 | 100 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0007 | 75*25 | 100 | 100&300 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0008 | 52*25 | 100 | 100&150&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
| K0009 | 35*24 | 100 | 100&200 | 3+1 | PDMS+Glass | 300 |
Ordering Methods
ZH_CN 
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