颠覆?《Nature》:没有电源没有泵,也能微流控!

2022-05-19 07:57:29 浙江 高分子科学前沿
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流控,是一种精准操控微尺度流体的技术,又称芯片实验室,旨在将实验室的基本操作单元封装在微米尺度的芯片上,用于医疗诊断、生物医药组织工程和环境采样多个领域。然而,这种系统通常需要笨重的辅助设备,比如流体泵和高压电源等,限制了微流控的广泛应用。

麦吉尔大学(McGill University)生物医学工程系David Juncker团队设计了一种小型化微流控系统,可通过3D打印技术轻松构建芯片,无需借助额外设备,利用微流体的“链式反应”,采用类似多米诺骨牌的阀门,控制试剂的释放。结合该系统,可以用于测试冠状病毒SARS-CoV-2。相关研究成果以Microfluidic chain reaction of structurally programmed capillary flow events为题发表在Nature上,并刊登了题为“A lab-on-a-chip that takes the chip out of the lab”的报道。

毛细管多米诺阀

该研究中,小型化微流控设备包括微米级通道和储液器,利用“微流控链式反应(MCR)”,可用于操纵含有试剂的液体,从而控制芯片上的反应。其中MCR,是指使用类似多米诺骨牌的阀门来控制从一系列储液器中释放试剂,只有当链条中的前一个储水器已经排空时,才会打开下一个储液器。毛细管多米诺阀(CDV)编码了这一条件,并将其串联起来,也就是将链与储液器相连,从而控制链式反应的传递。

不同的毛细管微流体组件,可实现不同的功能,例如装载、保持、混合和排放试剂,以形成完全集成和可扩展的毛细管回路。这些组件组成的微流控链式反应器,可由普通3D光刻打印机制成,并进行亲水化,用普通盖密封并连接到滤纸或吸收垫,没有其他外部的连接部件。通过释放存储在纸张表面的自由能,从毛细管回路中抽取的水溶液自发润湿纸张,从而驱动链式反应。

图一、具有单片毛细管多米诺阀的微流控链式反应,用于在毛细管回路中连续输送试剂。

毛细管回路中连续输送试剂视频

大型微流控链式反应

该团队进一步研究了MCR系统中微流体的操纵。通常,排空复杂网络的微通道流体是比较困难的,常见方法是使用空气来置换流体,但这会导致形成难以清除的气泡和停滞区域。本研究不仅开发了可用于操纵流动、控制迁移速度以及停止和重新启动流动的配置;还设计了一个大规模芯片,由四个芯片连接而成,每个芯片有 75 个 微流控链式反应单元,每个接口都保证了液体(主通道)和空气(连接CDV)的无泄漏连接,在不引入气泡的情况下,将多流体聚集在一起。该结果说明了MCR和CDV的可靠性,并展示了基于毛细管微流体的集成和大规模流体操作

图二、大型微流控链式反应

MCR用于冠状病毒

该团队将其设备用于检测冠状病毒 SARS-CoV-2 抗体的唾液测试。这里,将常见的实验室酶联免疫吸附试验(ELISA)八个步骤的序列自动化,引入了与 SARS-CoV-2 抗体结合的检测抗体,在酶促转化时,产生棕色、持久的沉淀物。既可以肉眼读出,作为即时读数,也可以使用智能手机,配上用于阻挡环境光的简单纸板,进行量化。

图三、微流控链式反应在用于检测人类唾液样本中的 SARS-CoV-2 抗体

小结:本研究中微流控系统实现了小型化,不需要额外的设备,离主流商业应用更进一步,其框架概念可广泛应用于医疗诊断。

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全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04683-4

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01299-6

来源:高分子科学前沿

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