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这是小钱的第 237次学习分享
今天分享的话题是：流体驱动；样本前处理；样本进结果出；集成化
前言
微流控设备可以在单个芯片内集成各种功能，以构建用于POCT的“样本输入答案输出”系统。主要功能包括样品制备步骤（如混合、反应孵育和产物分离）和信号检测。本篇为大家介绍在微流体装置中集成不同流体处理功能的几种创新方法，特别是通过手动或自驱动制备系统简化样品处理。
微流控装置通过微流体处理简化样品的制备：
“样本进结果出”系统无需进一步处理步骤即可显示进样后的检测结果，被认为是理想的POCT设备。在POCT装置中，样品制备通常是处理时间方面的最大瓶颈，因此在开发理想的POCT设备时应仔细考虑。实验室中的常规样品制备需要手动移液和重复使用离心机等设备的多步反应。相比之下，微流体POCT通过将流体处理，试剂混合和样品处理集成到单个芯片中体积极低的几个步骤来解决这些问题。然而，基于微流体的诊断平台通常受到泵系统或用于装载液体的辅助工具的需求的限制，这增加了成本和设备尺寸。通过避免对外部泵的需求，样品处理也得到了简化。特别是，离心力已成为控制流体通过芯片迁移的可靠手段。许多文献详细总结了离心微流体装置的这些进展。本篇我们着重学习用于手动和自驱动的样品处理方法[1]。
学习目录
1 手动样品制备
1.1 滑片技术
1.2 手动按压
1.3 手动摇晃等
1.4 外部手辅助操作作为动力
1.4.1 手晃动
1.4.2 手操作磁铁
2 自驱动样品制备
2.1 毛细力
2.2 真空驱动压力
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1 手动样品制备
1.1 滑片技术
SlipChip是一种微流体装置，设计用于在没有泵或阀门的情况下执行多重微流体反应。该设备有两个紧密接触的板。底板包含预装了许多试剂的孔;在该纸板中使用了48种试剂。这些孔被顶板覆盖，顶板充当试剂孔的盖子。该设备还具有流体路径，由底板中的管道和顶板上的孔组成，仅当顶板和底板在特定配置中对齐时，才会连接。可以将样品添加到流体路径中，填充孔和管道。然后，顶板相对于底板“滑动”或移动，使两个板中孔的互补模式重叠，使顶板的含样品孔暴露在底板的含试剂孔中，并实现扩散和反应。在两块板之间，使用碳氟化合物的润滑层以促进板的相对运动[2]。
图1 SlipChip微流体装置示意图[2]
1.2 手动按压
手动样品制备的一个主要替代策略是手指驱动，它为微通道提供初始压力。例如，开发了免疫测定微流体装置，其中试剂的流动由空气袋的手指驱动并依次输送到微通道。然而，手指驱动所需的按钮限制了这种设计在传统微流体装置中的应用。最近的研究描述了一种模块化指动泵，它与当前的微流体设备更兼容。为了保证微量试剂体积的准确性，开发了一种间接加压方法，以减少操作人员失误带来的变异性，并首先将手指驱动系统应用于血液交叉配型测试。在这种方法中，用户可以通过按压和释放压力室（图2A）以正确的比例分配几种流体试剂，并且通过将供体血液中的血浆与受体的全血交叉反应获得结果，反之亦然。
图2：手动样品处理（A）为血液交叉配型而开发的手指驱动微流体装置。（B） 将侧流设计与重组酶聚合酶扩增 （RPA） 集成在一起的微流体装置，用于通过反转和摇动芯片来检测 SARS-CoV-2。（C）用于手动、连续流动微流体样品进样的注射器流量稳定器。（D）微流体ELISA测定通过简单操作掺入的磁铁提供疾病生物标志物的“样品输入答案输出”检测。
1.3 手动摇晃等
在微流体装置中驱动流量的另一种非常简单但创新的方法是手抖。例如，Li的团队开发了一种便携式多路复用条形图SpinChip（MB-SpinChip），它结合了纳米粒子介导的磁性适体传感器，并用手摇动以进行液体处理。MB-SpinChip使用“T”相交换通道在密封隔间内输送或更换试剂，并通过摇动设备来操纵流动。最近，我们小组开发了一种微流体装置，该装置将侧流（LF）设计与重组酶聚合酶扩增（RPA）相结合，用于快速灵敏地检测SARS-CoV-2。逆转录-RPA （RT-RPA） 混合物通过倒置和摇动芯片装置转移到 LF 条带上，而无需任何阀门。在这个集成且独立的POC诊断芯片中，将RT-RPA试剂和样品与电泳缓冲液混合，然后输送到LF检测条（图2B）。因此，通过将反应封装在芯片内并限制样品处理所需的步骤数量（即孵育、试剂混合和 LF 试纸检测），避免了暴露于气溶胶污染物的可能性。
1.4 外部手辅助操作作为动力
1.4.1 手晃动
尽管已经提出了一些集成流体操作的创新，但在某些设备设计中，使用简单的传统设备（如注射器）仍然是将加压流体输送到微通道的最有效手段。例如，一些微流体装置使用可以连接到注射器的端口来施加正压或负压来控制微流体通道中的流量。为了纠正用户操作产生的不同流速，Ni及其同事提出了一种新型注射器流量稳定器，用于手动连续流动的微流体样品进样，基于被动流动阻力补偿，用于样品或试剂输送的恒定流速。稳定器与惯性微流控细胞浓缩器集成在一起，用于高通量连续浓缩大体积样品中的痕量血细胞。更广泛地说，流量稳定器可用于手动样品装载，具有几种广泛用于资源贫乏地区的POCT设备（图2C）。
1.4.2 手操作磁铁
磁铁还用作基于磁珠的顺序反应中手动流体操作的外部手段。例如图 2D中通过将用于ELISA检测的多步骤样品处理整合到微流体装置中，开发了一种具有基于距离的读数的ELISA芯片。该芯片由用于水相组分的圆形腔室组成，这些室由含有油的椭圆形区域隔开。这种微流体 ELISA 测定通过简单操作掺入的磁铁，提供了高度灵敏的疾病生物标志物“样品进结果出”检测。除ELISA外，磁体还应用于微流控装置，用于多重核酸检测。例如通过手动操作磁珠裂解细胞，洗涤沉淀的DNA（脱氧核糖核酸），并在芯片上洗脱最终样品，在短时间内完成核酸提取。
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2 自驱动样品制备
2.1 毛细力
毛细管微流体通常被描述为“被动”驱动，因为流体在没有外力的情况下通过毛细管作用通过微通道自主迁移。在微通道中，毛细作用的性质（如流速）与液体的表面张力、通道的几何形状以及液体与通道表面之间的固体接触直接相关。目前，已经提出了具有改进功能的基于毛细力的POCT设备。如图3A毛细力驱动平台的强大之处在于样品体积小（即只有几微升）和主动泵送控制液体的独立性。设计了多个流路，以适应单个芯片内血红蛋白测量和酶测定所需的不同步骤（图3A）。
图3：自驱动样品制备。（A）毛细管驱动的微流控芯片用于G6PD测定和血红蛋白浓度的测定。（B）毛细管自启动微流控芯片，用于检测多种生物标志物。（C）基于中空纤维膜（HFM）的微流控装置的机理。（四）真空液体泵送取样过程。
或者，可以使用纸基材代替毛细管泵，将毛细管液体流合并到芯片中。这种设计依靠纤维和多孔纸结构来介导通过毛细管的液体运输，而无需外部泵来调动液体试剂和样品。同样，如图3B，Zhuang等人提出了一种无泵微流控芯片，其中流体通过毛细管作用作为自驱动力，并通过吸收滤纸继续流动。发生反应的泪滴形腔室的设计旨在确保抗原和抗体之间有足够的时间结合。通过在反应区域上发现不同的抗体，可以在一个微流控芯片中同时测量四种类型的生物标志物。如图 3C，基于三维中空纤维膜（3D-HFM ）技术对分析物进行比色定量，通过整合“筛分”或过滤步骤以防止毛细管堵塞来设计微流体生物测定。基于HFM的微流体装置通过设计基于细管作用的立体三维孔梯度，集成了细胞分离、酶促反应和比色读数。
2.2 真空驱动压力
除毛细管系统外，真空压力还应用于微流体芯片中，用于控制流体动力学和迁移。值得注意的是，基于PDMS的设备通常在使用前在真空室中脱气，因为PDMS可渗透气体。脱气后，微通道内产生负压；流体从反应区域驱动到检测区域。图3D，利用这一原理，Mu的团队开发了一种集成的数字RPA/PDMS芯片，用于DNA提取和多重数字RPA，实现了“样本进结果出”的诊断测试。通过将螺杆阀与基于真空的液体泵送协调，核酸被提取，然后自吸并分隔到 12800 个微室中，用于连续的数字 RPA。这些基于微室的数字集成器件在靶标检测方面表现出良好的性能，此外，核酸提取和扩增步骤可以在芯片上完成，无需任何额外的设备。
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参考
[1]Liu D, Wang Y, Li X, et al. Integrated microfluidic devices for in vitro diagnostics at point of care[J]. Aggregate, 2022, 3(5): e184.
[2]Du W, Li L, Nichols K P, et al. SlipChip[J]. Lab on a Chip, 2009, 9(16): 2286-2292.
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发表于 2023-3-11 15:48:08