一种用于疾病诊断的新型微流控芯片

据麦姆斯咨询报道，近期，美国明尼苏达大学双城分校（University of Minnesota Twin Cities）的一个研究小组创建了一种用于疾病诊断的新型微流控芯片，该芯片的组件较少，并可以通过智能手机进行无线充电。这一项研究突破为更便捷、更经济的家用医学检测铺平了道路。

相关研究成果现已在Nature Research旗下期刊Nature Communications上发表。研究人员目前也在努力推进该技术的商业化。

微流控是指在微观水平上研究和操纵流体的技术。开发“芯片实验室”——能够利用微量生物样本（如血液或尿液）检测疾病的器件，是微流控领域最突出的应用之一。

目前一些疾病已经可以使用便携式装置进行诊断，例如新冠肺炎（COVID-19）的快速抗原检测。然而，功能复杂的诊断芯片（例如可用于识别特定COVID-19毒株或评估葡萄糖和胆固醇等生物标志物的芯片）往往需要较多组件，因此阻碍了其开发进度。这些芯片需要流体封装材料、控制流体的泵和通道以及操作泵的电路——所有这些都很难缩小到微型尺寸。明尼苏达大学双城分校的研究人员开发了一种不需要任何笨重组件的微流控器件。

明尼苏达大学双城分校电气与计算机工程系、研究项目负责人Sang-Hyun Oh教授表示：“目前相关研究在微电子器件比例缩放方面已取得了极大的成功，但处理流体样品的能力并没有跟上。毫不夸张地说，整合一个最先进的基于微流控技术的芯片实验室系统非常费力费时。我们关心的是，有没有可能完全摆脱芯片的封装材料、电路和泵，从而使其结构变得充分简单。”

许多芯片实验室通过在微芯片上移动液滴，来识别样品中的病毒病原体或细菌。明尼苏达大学研究人员开发的新方法的灵感来自于葡萄酒饮用者会意识到的独特的现象：由于酒精蒸发引起的表面张力，酒瓶内会生成“腿”或长水滴。

该研究使用了Sang-Hyun Oh团队在2010年代初开发的一项技术，将小电极紧密放置在2cm x 2cm的芯片上，从而产生强大的电场，将液滴拖过器件并生成类似“腿”的流体，以识别里面的分子。

已有的封闭式电流体技术和最新的开放通道电流体技术对比

由于电极放置的非常紧密（它们之间只有10nm的距离），因此产生的电场非常强，以至于芯片可以在不到1伏的功率下运行。由于所需的电压极低，研究人员能够利用来自智能手机的近场通信信号激活诊断芯片，该技术与商店中用于非接触式支付的技术完全相同。

这是研究人员第一次能够在不使用传统微流控结构的情况下，利用智能手机远程激活微通道，为更实惠、更易于使用的家用诊断器件发展铺平了道路。

无线智能手机驱动和横向流动蛋白质标记

论文的第一作者，明尼苏达大学电气与计算机工程系Christopher Ertsgaard博士表示：“在疫情期间，这是一个非常令人兴奋的新概念。我想每个人都已经意识到在家中进行快速、即时诊断的重要性。现在已有可用的技术，但我们需要更快、更灵敏的新技术。通过规模化和高通量生产，我们可以以更实惠的成本将这些复杂的技术用于家用诊断器件。”

为了将微芯片平台商业化，Sang-Hyun Oh所在的实验室正在与生产家用诊断器件的明尼苏达州GRIP Molecular Technologies（简称：GRIP）公司合作，以实现该芯片在识别流体样品中的病原体、病毒、细菌和其他生物标志物方面的广泛应用。

GRIP创始人兼总裁Bruce Batten表示：“要在商业上取得成功，家用诊断器件必须是低成本且易于使用的。类似Sang-Hyun Oh教授团队目前已经实现的低压流体运动，使我们能够同时满足这两个要求。GRIP有幸与明尼苏达大学合作开发我们的技术平台。将基础研究和转化研究联系起来对于开发一系列创新的转型产品至关重要。”

除了Sang-Hyun Oh和Christopher Ertsgaard，研究团队成员还包括明尼苏达大学电气与计算机工程系的Daniel Klemme（2019级博士生）和Daehan Yoo（2016级博士生），以及博士在读的Peter Christenson。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29405-2

审核编辑 ：李倩