全集成數字微流控及片上并行化學發光免疫檢測新方法

　　數字微流控（Digital microfluidics）是一種通過電極陣列，在芯片上利用電信號對微量液體運動進行精準操縱的技術，現今已廣泛應用于化學合成、生物分析、疾病診斷等領域。該技術利用了半導體技術及消費電子的設計理念，在手掌大小的微流控芯片上，無需外設的輔助，即可自動實現快速在場體外診斷（POCT）。芯片具有高度兼容性，可用于定量分析多種蛋白質和生物分子。

　　該技術的原理是通過改變芯片電極的電壓來對應地改變其表面的親疏水性，進而使液滴在相鄰電極表面的接觸角產生差異，從而使液滴在不同方向存在表面張力的差異，以此操縱液滴產生定向移動、分裂、合并等現象。其中，如何高效、穩定地生成微液滴是數字微流控技術的核心，也是其難點所在。在實際操作中，當芯片間隙與電極的尺寸比值超過某一閾值時，液滴撕裂成為更小的液滴將十分困難。該因素的存在導致當芯片結構和尺寸固定時，可生成液滴的最小體積也被限制。如果能突破這一限制，生成體積更小的液滴，則可以在有限的芯片區域內實現更多檢測，提高系統的檢測通量。此外，由于產生的液滴進一步縮小，片上樣品稀釋、磁珠清洗等具體實驗的靈活性將顯著提高，極大拓寬數字微流控技術在POCT方向的應用潛力。

　　近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所研究員馬漢彬課題組與長春理工大學等合作，創新性地提出名為“One-to-three”的數字微流控液滴生成新方法。該方法基于液滴對稱撕裂可在幾何中心位置保持表面張力平衡的原理，將一個大液滴分成三個液滴，包括一個在不改變數字微流控芯片幾何尺寸的情況下高效分離出“高縱橫比”的小液滴。該液滴撕裂方法超出了介電潤濕數字微流控的幾何極限。

　　結合“One-to-three”液滴生成的優勢，科研人員整合了磁吸模塊、光學檢測模塊、三軸操控模塊、液滴驅動系統等開發出一套具備全自動路徑編譯、檢測數據讀取、三軸定外控制的軟件。通過對系統不斷測試優化，構建了整套全自動數字微流控化學發光免疫分析平臺。該高度集成的平臺可快速完成高效的磁珠洗滌，實現了在一個芯片上可以同時并行檢測5個B型利鈉肽樣本，整個免疫測定過程僅約需10分鐘，完成了從理論突破、功能設計及工程化開發的全流程。該研究成果可應用于人類血清中B型利鈉肽的定量快速檢測，對心衰的診斷、預后評估、病情監測、指導治療等方面具有一定價值。

　　相關研究成果以“One-to-three” droplet generation in digital microfluidics for parallel chemiluminescence immunoassays為題，發表在Lab on a chip上，并被選為內封面論文，收錄于2021熱點論文集。

　　圖1.“One-to-three”微液滴生成原理與過程