一種主動式液滴陣列微流控化學發光免疫分析系統

華南理工大學附屬廣州市第一人民醫院劉大漁研究員課題組在國際著名期刊Biosensors and Bioelectronics（2020年影響因子：10.618）在線發表研究成果( Active droplet-array microfluidics-based chemiluminescence immunoassay  for point-of-care detection of procalcitonin )，詳細報道了課題組開發的主動式液滴陣列微流控化學發光免疫分析系統，該系統由一臺緊湊型微流控分析儀和帶有預加載試劑的微流控芯片組成。微流控分析儀可以在一次運行中并行操作五個微流控芯片，該分析儀整合了溫度控制、磁驅動、機械運動和光學檢測模塊，確保整個化學發光免疫分析的工作流程可以自動化完成。微流控芯片是由微縫連接的微腔（Microslit-connected microchambers）構成，所有試劑都預先裝入油包水滴中。此款微流控化學發光免疫分析系統在檢測靈敏度、動態范圍、儀器尺寸及周轉時間等方面具有顯著優勢，非常適合基層醫療機構使用，確保其在短時間內獲取疾病生物標志物信息。

一、微流控分析儀

微流控分析儀的尺寸為30cm×30cm×30cm，重量約為10kg。該儀器可以在一次運行中安裝五個微流控芯片，允許同時執行五個測試。分析儀包含溫度控制、磁驅動、機械運動和光學檢測模塊。①溫度控制模塊：將微流控芯片所處環境溫度恒定保持在37℃，確保抗原抗體結合效率；②磁驅動和機械運動模塊：通過程序化移動磁柱（magnet column）來控制磁珠（magnetic beads）的狀態；③光學檢測模塊：使用光電倍增管（PMT）檢測酶致發光反應產生的化學發光信號。為避免外部光源對化學發光信號的干擾，整個反應在全封閉環境中運行。當反應完成后，PMT依次獲取五個芯片的化學發光信號，曝光時間為100ms，信號強度由儀器軟件直接讀出。

二、微流控芯片

微流控芯片是由芯片主體（注塑工藝，黑色聚碳酸酯）和頂蓋（3D打印工藝，光敏樹脂）構成。芯片本體（110mm×15mm×5mm）包含5個微腔，每個微腔間有0.5mm寬的微縫。微流控芯片頂蓋設計有三個孔，從前到后依次是樣品裝載孔、排氣孔和注射孔，頂蓋底部設計有四個插入微縫的塞子（圖2）。在頂蓋與芯片主體組裝之前，頂蓋內表面需涂覆一層納米保護溶液。頂蓋位置移動可以改變微縫的開與關，該芯片共支持三種位置變化（圖3），這三個位置分別適用于裝油、試劑儲存/轉運和化學發光免疫分析。

圖2 微流控芯片由芯片本體（黑色）和頂蓋（白色）組成

圖3 頂蓋的三個位置狀態（頂蓋位置移動可改變微縫的開與關）

微流控化學發光免疫分析包括四個步驟（圖4、圖5）：

圖4 微流控芯片中試劑的預存儲

圖5 微流控化學發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。在每個步驟中，當磁珠進入液滴時，磁柱下降，使磁珠失活。同時，微流控芯片承載平臺來回移動，通過液滴攪拌促進磁珠與試劑的相互作用（圖6）。

圖6 磁驅動液滴操控