以起始、傳播和終止為特征的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在微觀尺度上是隨機(jī)的，是重要的化學(xué)（例如內(nèi)燃機(jī)）、核和生物技術(shù)（例如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）應(yīng)用的基礎(chǔ)。在宏觀尺度上，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是確定性的，但目前僅限于娛樂(lè)和藝術(shù)方面的應(yīng)用，例如多米諾骨牌和魯布·戈德堡機(jī)械。另一方面，微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（也稱為微全分析系統(tǒng)）在實(shí)際應(yīng)用中仍然依賴于繁瑣的外圍設(shè)備、復(fù)雜的連接和用于自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)。毛細(xì)管微流控技術(shù)通過(guò)使用毛細(xì)管現(xiàn)象將能量供應(yīng)和流量控制集成到單個(gè)芯片上，但可編程性仍然很初級(jí)，最多不能超過(guò)8次操作。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了有效解決以上問(wèn)題，近期，加拿大麥吉爾大學(xué)（McGill University）研究人員在Nature上發(fā)文，提出了微流控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（microfluidic chain reaction，MCR）的概念，并將其闡述為毛細(xì)流動(dòng)現(xiàn)象的有條件的、結(jié)構(gòu)程序化的拓展。集成MCR的單片芯片可以由3D打印獲得，并由紙泵的自由能提供動(dòng)力，逐步自動(dòng)執(zhí)行樣品處理算法。借助MCR，研究人員自動(dòng)化了：（1）跨鏈?zhǔn)交ミB芯片順序釋放300個(gè)等分試樣；（2）唾液中新冠病毒（SARS-CoV-2）抗體檢測(cè)；（3）通過(guò)對(duì)凝血激活血漿的連續(xù)二次取樣和分析進(jìn)行凝血酶生成測(cè)定。MCR不受外圍設(shè)備的束縛，可以在原位結(jié)構(gòu)上對(duì)程序進(jìn)行編碼，最終形成一個(gè)經(jīng)濟(jì)、多功能、真正微型的芯片實(shí)驗(yàn)室，在樣品處理和即時(shí)診斷方面具有廣泛的應(yīng)用。

為了控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程，研究人員利用MCR編碼存儲(chǔ)在一系列容器中的試劑的確定性釋放。具體來(lái)說(shuō)，容器n中試劑的釋放取決于容器n-1中試劑的清空（排空），并且清空容器n，進(jìn)而觸發(fā)容器n+1中試劑的釋放。除了MCR，研究人員還利用毛細(xì)管多米諾微閥（CDV）對(duì)相關(guān)條件進(jìn)行編碼，并串聯(lián)連接，從而控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的傳遞（圖1）。

圖 1 具有單片CDV的MCR，用于在毛細(xì)管回路（CC）中連續(xù)輸送試劑

接下來(lái)，研究人員使用具有不同毛細(xì)管壓力和流速的泵測(cè)試了幾個(gè)功能連接的MCR，發(fā)現(xiàn)MCR操作窗口的理論和實(shí)驗(yàn)非常一致，概念驗(yàn)證應(yīng)用程序中使用的MCR設(shè)計(jì)（圖2）完全處于故障閾值之內(nèi)，有助于確保鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可靠傳遞。然后，研究人員成功設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)液-氣無(wú)泄漏連接的芯片接口，用來(lái)連接分別具有75個(gè)MCR的四個(gè)芯片。該結(jié)果說(shuō)明了MCR和CDV的可靠性，并證明了“無(wú)源”毛細(xì)管微流控系統(tǒng)的集成、大規(guī)模流體操作，超出了許多“有源”計(jì)算機(jī)可編程微流控系統(tǒng)的能力。

圖 2 電路分析和實(shí)驗(yàn)確定MCR的操作窗口

唾液中SARS-CoV-2的核衣殼蛋白（N蛋白）抗體，在早期感染檢測(cè)、作為預(yù)后指標(biāo)的初步患者評(píng)估以及用于區(qū)分接種疫苗和自然感染個(gè)體的血清研究方面，具有良好的應(yīng)用潛力。然而，常規(guī)的側(cè)向流動(dòng)測(cè)定雖然操作簡(jiǎn)單，但其讀數(shù)保留時(shí)間通常只有幾分鐘，且作為實(shí)驗(yàn)室酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）基礎(chǔ)的酶促擴(kuò)增操作較為復(fù)雜。為了對(duì)其操作進(jìn)行優(yōu)化，研究人員使用MCR將常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)室ELISA協(xié)議中的8個(gè)步驟序列自動(dòng)化（圖3）。首先將芯片連接到一個(gè)小紙泵以排出多余的緩沖液，并將用于測(cè)定讀數(shù)的硝酸纖維素條連接到一個(gè)驅(qū)動(dòng)MCR的大容量紙泵。使用3,3′-二氨基聯(lián)苯胺作為底物，在酶促轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生持久的棕色沉淀物，既可以作為即時(shí)讀數(shù)，也可以作為存檔記錄。結(jié)果可以用肉眼看到，也可以使用集成了簡(jiǎn)單折疊折紙盒的掃描儀或智能手機(jī)進(jìn)行量化，以最大限度地減少光干擾，并具有靈敏、定量和可重復(fù)的輸出功能。

圖 3 集成MCR用于唾液中SARS-CoV-2抗體血清學(xué)檢測(cè)

最后，研究人員設(shè)計(jì)了一種算法（圖4），用于通過(guò)級(jí)聯(lián)、迭代和分支流體操作來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和定時(shí)程序，并將其結(jié)構(gòu)化地編程到3D打印芯片中，使芯片具備自動(dòng)執(zhí)行血漿子樣本凝血酶生成測(cè)定分析的能力。將去纖維、凝血激活的血漿子樣本和試劑裝載到芯片中，在觸發(fā)MCR時(shí)，無(wú)需進(jìn)一步干預(yù)，它們以1min的間隔從10對(duì)儲(chǔ)液器中釋放，在蛇形混合器中混合并儲(chǔ)存在反應(yīng)室，用于熒光信號(hào)生成和數(shù)據(jù)讀取。

圖 4 通過(guò)連續(xù)分析血漿子樣本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化微流控凝血酶生成測(cè)定（TGA）

此項(xiàng)研究中，研究人員設(shè)計(jì)的MCR是可推廣的，其與正壓操作兼容，并且可以與主動(dòng)微流控和機(jī)器人樣品處理系統(tǒng)連接。毛細(xì)流動(dòng)MCR也可以通過(guò)永久親水性樹(shù)脂或涂層、液體儲(chǔ)存袋和預(yù)干燥試劑得到進(jìn)一步改進(jìn)，在即時(shí)診斷方面有深遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。用戶只需在檢測(cè)器件入口處放置一滴溶液，即可觸發(fā)定時(shí)操作的編排，包括等分、輸送、混合、沖洗和化學(xué)品的反應(yīng)。由于MCR可以在芯片中進(jìn)行3D打印和單片編碼，因此進(jìn)入壁壘非常低（入門級(jí)樹(shù)脂打印機(jī)成本<300美元），可以很容易地在家自制，也可以很方便地郵購(gòu)，為可打印、可下載的微流控應(yīng)用程序發(fā)展開(kāi)辟了道路。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩