微流控链式反应的概念

以起始、传播和终止为特征的链式反应在微观尺度上是随机的，是重要的化学（例如内燃机）、核和生物技术（例如聚合酶链式反应）应用的基础。在宏观尺度上，链式反应是确定性的，但目前仅限于娱乐和艺术方面的应用，例如多米诺骨牌和鲁布·戈德堡机械。另一方面，微流控芯片实验室（也称为微全分析系统）在实际应用中仍然依赖于繁琐的外围设备、复杂的连接和用于自动化的计算机。毛细管微流控技术通过使用毛细管现象将能量供应和流量控制集成到单个芯片上，但可编程性仍然很初级，最多不能超过8次操作。

据麦姆斯咨询报道，为了有效解决以上问题，近期，加拿大麦吉尔大学（McGill University）研究人员在Nature上发文，提出了微流控链式反应（microfluidic chain reaction，MCR）的概念，并将其阐述为毛细流动现象的有条件的、结构程序化的拓展。集成MCR的单片芯片可以由3D打印获得，并由纸泵的自由能提供动力，逐步自动执行样品处理算法。借助MCR，研究人员自动化了：（1）跨链式互连芯片顺序释放300个等分试样；（2）唾液中新冠病毒（SARS-CoV-2）抗体检测；（3）通过对凝血激活血浆的连续二次取样和分析进行凝血酶生成测定。MCR不受外围设备的束缚，可以在原位结构上对程序进行编码，最终形成一个经济、多功能、真正微型的芯片实验室，在样品处理和即时诊断方面具有广泛的应用。

为了控制链式反应过程，研究人员利用MCR编码存储在一系列容器中的试剂的确定性释放。具体来说，容器n中试剂的释放取决于容器n-1中试剂的清空（排空），并且清空容器n，进而触发容器n+1中试剂的释放。除了MCR，研究人员还利用毛细管多米诺微阀（CDV）对相关条件进行编码，并串联连接，从而控制链式反应的传递（图1）。

图 1 具有单片CDV的MCR，用于在毛细管回路（CC）中连续输送试剂

接下来，研究人员使用具有不同毛细管压力和流速的泵测试了几个功能连接的MCR，发现MCR操作窗口的理论和实验非常一致，概念验证应用程序中使用的MCR设计（图2）完全处于故障阈值之内，有助于确保链式反应的可靠传递。然后，研究人员成功设计了一个实现液-气无泄漏连接的芯片接口，用来连接分别具有75个MCR的四个芯片。该结果说明了MCR和CDV的可靠性，并证明了“无源”毛细管微流控系统的集成、大规模流体操作，超出了许多“有源”计算机可编程微流控系统的能力。

图 2 电路分析和实验确定MCR的操作窗口

唾液中SARS-CoV-2的核衣壳蛋白（N蛋白）抗体，在早期感染检测、作为预后指标的初步患者评估以及用于区分接种疫苗和自然感染个体的血清研究方面，具有良好的应用潜力。然而，常规的侧向流动测定虽然操作简单，但其读数保留时间通常只有几分钟，且作为实验室酶联免疫吸附测定（ELISA）基础的酶促扩增操作较为复杂。为了对其操作进行优化，研究人员使用MCR将常见实验室ELISA协议中的8个步骤序列自动化（图3）。首先将芯片连接到一个小纸泵以排出多余的缓冲液，并将用于测定读数的硝酸纤维素条连接到一个驱动MCR的大容量纸泵。使用3,3′-二氨基联苯胺作为底物，在酶促转化时产生持久的棕色沉淀物，既可以作为即时读数，也可以作为存档记录。结果可以用肉眼看到，也可以使用集成了简单折叠折纸盒的扫描仪或智能手机进行量化，以最大限度地减少光干扰，并具有灵敏、定量和可重复的输出功能。

图 3 集成MCR用于唾液中SARS-CoV-2抗体血清学检测

最后，研究人员设计了一种算法（图4），用于通过级联、迭代和分支流体操作来实现自动化和定时程序，并将其结构化地编程到3D打印芯片中，使芯片具备自动执行血浆子样本凝血酶生成测定分析的能力。将去纤维、凝血激活的血浆子样本和试剂装载到芯片中，在触发MCR时，无需进一步干预，它们以1min的间隔从10对储液器中释放，在蛇形混合器中混合并储存在反应室，用于荧光信号生成和数据读取。

图 4 通过连续分析血浆子样本实现自动化微流控凝血酶生成测定（TGA）

此项研究中，研究人员设计的MCR是可推广的，其与正压操作兼容，并且可以与主动微流控和机器人样品处理系统连接。毛细流动MCR也可以通过永久亲水性树脂或涂层、液体储存袋和预干燥试剂得到进一步改进，在即时诊断方面有深远的应用价值。用户只需在检测器件入口处放置一滴溶液，即可触发定时操作的编排，包括等分、输送、混合、冲洗和化学品的反应。由于MCR可以在芯片中进行3D打印和单片编码，因此进入壁垒非常低（入门级树脂打印机成本<300美元），可以很容易地在家自制，也可以很方便地邮购，为可打印、可下载的微流控应用程序发展开辟了道路。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04683-4

审核编辑 ：李倩