一種主動(dòng)式液滴陣列微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析系統(tǒng)

華南理工大學(xué)附屬廣州市第一人民醫(yī)院劉大漁研究員課題組在國際著名期刊Biosensors and Bioelectronics（2020年影響因子：10.618）在線發(fā)表研究成果( Active droplet-array microfluidics-based chemiluminescence immunoassay  for point-of-care detection of procalcitonin )，詳細(xì)報(bào)道了課題組開發(fā)的主動(dòng)式液滴陣列微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)緊湊型微流控分析儀和帶有預(yù)加載試劑的微流控芯片組成。微流控分析儀可以在一次運(yùn)行中并行操作五個(gè)微流控芯片，該分析儀整合了溫度控制、磁驅(qū)動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和光學(xué)檢測(cè)模塊，確保整個(gè)化學(xué)發(fā)光免疫分析的工作流程可以自動(dòng)化完成。微流控芯片是由微縫連接的微腔（Microslit-connected microchambers）構(gòu)成，所有試劑都預(yù)先裝入油包水滴中。此款微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析系統(tǒng)在檢測(cè)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、儀器尺寸及周轉(zhuǎn)時(shí)間等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，非常適合基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用，確保其在短時(shí)間內(nèi)獲取疾病生物標(biāo)志物信息。

一、微流控分析儀

微流控分析儀的尺寸為30cm×30cm×30cm，重量約為10kg。該儀器可以在一次運(yùn)行中安裝五個(gè)微流控芯片，允許同時(shí)執(zhí)行五個(gè)測(cè)試。分析儀包含溫度控制、磁驅(qū)動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和光學(xué)檢測(cè)模塊。①溫度控制模塊：將微流控芯片所處環(huán)境溫度恒定保持在37℃，確?？乖贵w結(jié)合效率；②磁驅(qū)動(dòng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)模塊：通過程序化移動(dòng)磁柱（magnet column）來控制磁珠（magnetic beads）的狀態(tài)；③光學(xué)檢測(cè)模塊：使用光電倍增管（PMT）檢測(cè)酶致發(fā)光反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)發(fā)光信號(hào)。為避免外部光源對(duì)化學(xué)發(fā)光信號(hào)的干擾，整個(gè)反應(yīng)在全封閉環(huán)境中運(yùn)行。當(dāng)反應(yīng)完成后，PMT依次獲取五個(gè)芯片的化學(xué)發(fā)光信號(hào)，曝光時(shí)間為100ms，信號(hào)強(qiáng)度由儀器軟件直接讀出。

二、微流控芯片

微流控芯片是由芯片主體（注塑工藝，黑色聚碳酸酯）和頂蓋（3D打印工藝，光敏樹脂）構(gòu)成。芯片本體（110mm×15mm×5mm）包含5個(gè)微腔，每個(gè)微腔間有0.5mm寬的微縫。微流控芯片頂蓋設(shè)計(jì)有三個(gè)孔，從前到后依次是樣品裝載孔、排氣孔和注射孔，頂蓋底部設(shè)計(jì)有四個(gè)插入微縫的塞子（圖2）。在頂蓋與芯片主體組裝之前，頂蓋內(nèi)表面需涂覆一層納米保護(hù)溶液。頂蓋位置移動(dòng)可以改變微縫的開與關(guān)，該芯片共支持三種位置變化（圖3），這三個(gè)位置分別適用于裝油、試劑儲(chǔ)存/轉(zhuǎn)運(yùn)和化學(xué)發(fā)光免疫分析。

圖2 微流控芯片由芯片本體（黑色）和頂蓋（白色）組成

圖3 頂蓋的三個(gè)位置狀態(tài)（頂蓋位置移動(dòng)可改變微縫的開與關(guān)）

微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析包括四個(gè)步驟（圖4、圖5）：

圖4 微流控芯片中試劑的預(yù)存儲(chǔ)

圖5 微流控化學(xué)發(fā)光免疫分析的工作流程

磁柱上升，磁珠激活；磁柱下降，磁珠失活。在每個(gè)步驟中，當(dāng)磁珠進(jìn)入液滴時(shí)，磁柱下降，使磁珠失活。同時(shí)，微流控芯片承載平臺(tái)來回移動(dòng)，通過液滴攪拌促進(jìn)磁珠與試劑的相互作用（圖6）。

圖6 磁驅(qū)動(dòng)液滴操控