近日，麥吉爾大學David Juncker等人報道了一種芯片實驗室系統，該系統可以輕松通過3D打印制造出來，并且只需要一部智能手機，用作光電探測器。該設備和手機一起可以檢測人類唾液中的一系列生物靶點，包括冠狀病毒SARS-CoV-2。成果發表在Nature上。
圖|芯片上的“微流控鏈式反應”
一些背景
第一個芯片實驗室系統建于1970年代。它是一種氣相色譜分析儀，一種通過汽化分離化合物的裝置，由硅制成，采用微電子行業開發的制造技術。然而，盡管此類技術提供了令人印象深刻的精度，但使用微細加工方法構建芯片實驗室系統仍存在許多后勤問題。特別是，通過這種方法生產的設備通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，這種材料可滲透水，從而產生流體浸出和蒸發等問題。芯片實驗室設備的組件通常也需要多種精密制造工藝，這限制了制造的可擴展性。
3D打印芯片
因此，人們的注意力正轉向測試使用激光燒蝕和2D或3D打印技術構建的系統原型。該課題組利用3D打印技術構建了他們的芯片實驗室系統。這為構建低成本設備提供了藍圖，這些設備需要最少的制造技能，并且可以結合流體流動等功能。
該設備包括微米級通道網絡和儲液庫，可用于操縱含有試劑的液體，從而控制生物反應。該系統促進了“微流體鏈式反應（MCR）”，使用類似多米諾骨牌的閥門來控制從一系列容器中釋放試劑。只有當鏈條中的前一個儲液庫已經排空時，才會打開下一個儲液庫。通過這種方式，該設備能夠控制化學鏈式反應的傳播。
巧用毛細管效應而免去龐大的泵送系統
為了做到這一點，他們利用了毛細管效應，這種現象發生在固體和液體之間的界面上的分子間粘附力與液體中的內聚力競爭時。植物利用這種機制將水吸入根部，微流控平臺可以利用同樣的原理，通過改變通道表面的有效“潤濕性”來控制流體的流動。研究人員設計了一個系統，其中感興趣的流體的表面相互作用可以在3D打印通道中控制。他們通過仔細考慮材料的表面特性和通道幾何結構來實現這一點，從而實現復雜的流量控制。
使用毛細管效應的主要優點是它不需要龐大的流體泵送系統。毛細管微流體組件根據預期的操作（例如，裝載、保持、混合和排放液體）實現不同的功能，以形成完全集成和可擴展的毛細管電路，毛細管電路的設計基于構建模塊庫，包括毛細管泵、流阻和多種類型的毛細管閥，因此類似于微電子集成電路。例如，流動速度與電阻相當，因為流動阻力的增加減緩了流體的遷移。如果阻力增加超過閾值，則可以將流體固定在通道結構內。
圖|MCR 用于在毛細管電路中連續輸送試劑
具有可操控性和不引入氣泡
該研究的一個令人印象深刻的方面是開發可用于操縱流動、控制遷移速度以及停止和重新啟動流動的配置。該設備還可以在不引入氣泡的情況下將多個流匯集在一起，其中，產生氣泡是目前任何微流體系統的弊端。
可排出通道液體
也許更重要的是，這些配置可用于從充滿的通道中排出液體。這種能力可以說是顛覆了現在的技術，因為清除復雜的微通道流體網絡絕非易事。該設備的演示為精確控制反應過程中使用的流體體積鋪平了道路，使此類微流控系統易于使用，并最大限度地減少昂貴試劑的浪費。
圖|電路分析和實驗確定 MCR 的操作窗口
肉眼或用手機讀出
該團隊將其設備用于SARS-CoV-2抗體的唾液測試。該測試可能用于檢測感染、評估患者的預后以及區分接種疫苗的個體和通過感染獲得抗體的個體。結果可以直接通過肉眼讀出，也可以用智能手機進行量化，智能手機配有一個簡單的紙板附件，用于阻擋環境光線。作者還表明，該芯片可用于測試血漿的凝固，從而評估一個人的血栓形成風險。
圖|唾液中的大規模 MCR 和 COVID-19 血清學檢測
圖|通過連續分析血漿子樣本實現自動凝血酶生成分析（血栓芯片）
小結
綜上，微流體鏈式反應在中尺度引入了確定性、模塊化和可編程的鏈式反應，并通過控制液壓和氣動流量和連接性，構成了自主、可編程液體操作和算法的新概念。微流體鏈式反應將中尺度鏈式反應作為一種節儉、集成、可擴展和可編程的過程，為集成的芯片實驗室提供動力。
該研究為困擾微流體系統的幾個長期存在的“實驗室中的芯片”問題提供了強有力的解決方案，而且它以令人印象深刻的方式解決了這一問題。作者的設備有可能取代當前便攜式診斷系統的“王者”，即橫向流動測試，因為它是一個更復雜的平臺，可以產生定量而不是純粹的定性診斷結果。
這項研究能否成為在家中進行定量和臨床有用的診斷的里程碑篇章？只有時間會證明一切，但鑒于在新冠大流行之后無處不在的家庭診斷，這是朝著這一目標邁出的令人興奮的一步。
參考文獻：
1. Yafia, M., Ymbern,O., Olanrewaju, A.O. et al. Microfluidic chain reaction of structurallyprogrammed capillary flow events. Nature 605, 464–469 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04683-4
2. A lab-on-a-chip thattakes the chip out of the lab. Nature 605, 429-430 (2022)
https://doi.org/10.1038/d41586-022-01299-6
