近日，麦吉尔大学David Juncker等人报道了一种芯片实验室系统，该系统可以轻松通过3D打印制造出来，并且只需要一部智能手机，用作光电探测器。该设备和手机一起可以检测人类唾液中的一系列生物靶点，包括冠状病毒SARS-CoV-2。成果发表在Nature上。

图|芯片上的“微流控链式反应”

一些背景

第一个芯片实验室系统建于1970年代。它是一种气相色谱分析仪，一种通过汽化分离化合物的装置，由硅制成，采用微电子行业开发的制造技术。然而，尽管此类技术提供了令人印象深刻的精度，但使用微细加工方法构建芯片实验室系统仍存在许多后勤问题。特别是，通过这种方法生产的设备通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，这种材料可渗透水，从而产生流体浸出和蒸发等问题。芯片实验室设备的组件通常也需要多种精密制造工艺，这限制了制造的可扩展性。

3D打印芯片

因此，人们的注意力正转向测试使用激光烧蚀和2D或3D打印技术构建的系统原型。该课题组利用3D打印技术构建了他们的芯片实验室系统。这为构建低成本设备提供了蓝图，这些设备需要最少的制造技能，并且可以结合流体流动等功能。

该设备包括微米级通道网络和储液库，可用于操纵含有试剂的液体，从而控制生物反应。该系统促进了“微流体链式反应（MCR）”，使用类似多米诺骨牌的阀门来控制从一系列容器中释放试剂。只有当链条中的前一个储液库已经排空时，才会打开下一个储液库。通过这种方式，该设备能够控制化学链式反应的传播。

巧用毛细管效应而免去庞大的泵送系统

为了做到这一点，他们利用了毛细管效应，这种现象发生在固体和液体之间的界面上的分子间粘附力与液体中的内聚力竞争时。植物利用这种机制将水吸入根部，微流控平台可以利用同样的原理，通过改变通道表面的有效“润湿性”来控制流体的流动。研究人员设计了一个系统，其中感兴趣的流体的表面相互作用可以在3D打印通道中控制。他们通过仔细考虑材料的表面特性和通道几何结构来实现这一点，从而实现复杂的流量控制。

使用毛细管效应的主要优点是它不需要庞大的流体泵送系统。毛细管微流体组件根据预期的操作（例如，装载、保持、混合和排放液体）实现不同的功能，以形成完全集成和可扩展的毛细管电路，毛细管电路的设计基于构建模块库，包括毛细管泵、流阻和多种类型的毛细管阀，因此类似于微电子集成电路。例如，流动速度与电阻相当，因为流动阻力的增加减缓了流体的迁移。如果阻力增加超过阈值，则可以将流体固定在通道结构内。

图|MCR 用于在毛细管电路中连续输送试剂

具有可操控性和不引入气泡

该研究的一个令人印象深刻的方面是开发可用于操纵流动、控制迁移速度以及停止和重新启动流动的配置。该设备还可以在不引入气泡的情况下将多个流汇集在一起，其中，产生气泡是目前任何微流体系统的弊端。

可排出通道液体

也许更重要的是，这些配置可用于从充满的通道中排出液体。这种能力可以说是颠覆了现在的技术，因为清除复杂的微通道流体网络绝非易事。该设备的演示为精确控制反应过程中使用的流体体积铺平了道路，使此类微流控系统易于使用，并最大限度地减少昂贵试剂的浪费。

图|电路分析和实验确定 MCR 的操作窗口

肉眼或用手机读出

该团队将其设备用于SARS-CoV-2抗体的唾液测试。该测试可能用于检测感染、评估患者的预后以及区分接种疫苗的个体和通过感染获得抗体的个体。结果可以直接通过肉眼读出，也可以用智能手机进行量化，智能手机配有一个简单的纸板附件，用于阻挡环境光线。作者还表明，该芯片可用于测试血浆的凝固，从而评估一个人的血栓形成风险。

图|唾液中的大规模 MCR 和 COVID-19 血清学检测

图|通过连续分析血浆子样本实现自动凝血酶生成分析（血栓芯片）

小结

综上，微流体链式反应在中尺度引入了确定性、模块化和可编程的链式反应，并通过控制液压和气动流量和连接性，构成了自主、可编程液体操作和算法的新概念。微流体链式反应将中尺度链式反应作为一种节俭、集成、可扩展和可编程的过程，为集成的芯片实验室提供动力。

该研究为困扰微流体系统的几个长期存在的“实验室中的芯片”问题提供了强有力的解决方案，而且它以令人印象深刻的方式解决了这一问题。作者的设备有可能取代当前便携式诊断系统的“王者”，即横向流动测试，因为它是一个更复杂的平台，可以产生定量而不是纯粹的定性诊断结果。

这项研究能否成为在家中进行定量和临床有用的诊断的里程碑篇章？只有时间会证明一切，但鉴于在新冠大流行之后无处不在的家庭诊断，这是朝着这一目标迈出的令人兴奋的一步。

参考文献：

1. Yafia, M., Ymbern,O., Olanrewaju, A.O. et al. Microfluidic chain reaction of structurallyprogrammed capillary flow events. Nature 605, 464–469 (2022).

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

2. A lab-on-a-chip that takes the chip out of the lab. Nature 605, 429-430 (2022)

https://doi.org/10.1038/d41586-022-01299-6