一种主动式液滴阵列微流控化学发光免疫分析系统

检验之星

华南理工大学附属广州市第一人民医院刘大渔研究员课题组在国际著名期刊Biosensors and Bioelectronics（2020年影响因子：10.618）在线发表研究成果( Active droplet-array microfluidics-based chemiluminescence immunoassay  for point-of-care detection of procalcitonin )，详细报道了课题组开发的主动式液滴阵列微流控化学发光免疫分析系统，该系统由一台紧凑型微流控分析仪和带有预加载试剂的微流控芯片组成。微流控分析仪可以在一次运行中并行操作五个微流控芯片，该分析仪整合了温度控制、磁驱动、机械运动和光学检测模块，确保整个化学发光免疫分析的工作流程可以自动化完成。微流控芯片是由微缝连接的微腔（Microslit-connected microchambers）构成，所有试剂都预先装入油包水滴中。此款微流控化学发光免疫分析系统在检测灵敏度、动态范围、仪器尺寸及周转时间等方面具有显著优势，非常适合基层医疗机构使用，确保其在短时间内获取疾病生物标志物信息。
微流控化学发光免疫分析系统

一、微流控分析仪

微流控分析仪的尺寸为30cm×30cm×30cm，重量约为10kg。该仪器可以在一次运行中安装五个微流控芯片，允许同时执行五个测试。分析仪包含温度控制、磁驱动、机械运动和光学检测模块。①温度控制模块：将微流控芯片所处环境温度恒定保持在37℃，确保抗原抗体结合效率；②磁驱动和机械运动模块：通过程序化移动磁柱（magnet column）来控制磁珠（magnetic beads）的状态；③光学检测模块：使用光电倍增管（PMT）检测酶致发光反应产生的化学发光信号。为避免外部光源对化学发光信号的干扰，整个反应在全封闭环境中运行。当反应完成后，PMT依次获取五个芯片的化学发光信号，曝光时间为100ms，信号强度由仪器软件直接读出。



图1 （左图）微流控分析仪照片；（右图）微流控分析仪结构示意图

二、微流控芯片

微流控芯片是由芯片主体（注塑工艺，黑色聚碳酸酯）和顶盖（3D打印工艺，光敏树脂）构成。芯片本体（110mm×15mm×5mm）包含5个微腔，每个微腔间有0.5mm宽的微缝。微流控芯片顶盖设计有三个孔，从前到后依次是样品装载孔、排气孔和注射孔，顶盖底部设计有四个插入微缝的塞子（图2）。在顶盖与芯片主体组装之前，顶盖内表面需涂覆一层纳米保护溶液。顶盖位置移动可以改变微缝的开与关，该芯片共支持三种位置变化（图3），这三个位置分别适用于装油、试剂储存/转运和化学发光免疫分析。



图2 微流控芯片由芯片本体（黑色）和顶盖（白色）组成



图3 顶盖的三个位置状态（顶盖位置移动可改变微缝的开与关）

微流控化学发光免疫分析操作步骤

微流控化学发光免疫分析包括四个步骤（图4、图5）：
1、免疫磁珠捕获目标蛋白：将样品和磁珠装入微腔①中孵育3分钟，以使样品中的抗原与磁珠上的捕获抗体结合。
2、形成双抗夹心结构：磁柱（magnet column）上升激活磁珠（magnetic beads），磁力驱动磁珠经过微缝进入微腔②。将磁珠转移到含有酶标记抗体（检测抗体）的液滴中孵育3分钟，磁珠-捕获抗体-抗原复合物与检测抗体特异性结合，形成双抗体夹心复合物（磁珠-捕获抗体-抗原-检测抗体）。
3、磁珠清洗：驱动磁珠依次进入微腔③和微腔④，微腔③和微腔④含有洗涤缓冲液，磁珠被洗涤两次，每次洗涤20秒。
4、酶化学发光反应：驱动磁珠进入含有化学发光底物溶液的微腔⑤。孵育40秒使其产生化学发光后，PMT收集化学发光信号。



图4 微流控芯片中试剂的预存储



图5 微流控化学发光免疫分析的工作流程

磁柱上升，磁珠激活；磁柱下降，磁珠失活。在每个步骤中，当磁珠进入液滴时，磁柱下降，使磁珠失活。同时，微流控芯片承载平台来回移动，通过液滴搅拌促进磁珠与试剂的相互作用（图6）。



图6 磁驱动液滴操控

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