一種可編程重力自驅動微流控芯片

近年來，全球范圍內的公共衛生事件頻發，迫切需要高效的平臺進行快速檢測進而控制其傳播。然而，傳統的診斷方法通常涉及繁瑣且專業的操作步驟，需耗費大量的時間。為應對這一挑戰，即時檢驗（Point-of-care testing, POCT）逐漸嶄露頭角，利用便攜設備迅速提供結果，有助于應對大流行疫情。微流控芯片是POCT領域的重要創新，通過微通道和微結構在微尺度上精確控制流體流動、混合、分離和反應，從而提高POCT的準確性和效率。其中，重力驅動微流控系統以其通用性和垂直流動力顯示了巨大的前景。然而，值得注意的是，目前仍然缺乏能夠在不依賴外力的情況下自動控制多種流體的重力驅動微流控平臺。

2023年12月12日，華中科技大學生命學院劉筆鋒課題組在《Small》期刊上在線發表題為“Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip for Point-of-Care Multiplied Immunoassays”的研究文章。

該研究工作報道了一種獨特的可編程重力自驅動微流控芯片（Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip：PGSMC），能夠同時進行多試劑順序釋放、多靶標分析和多芯片操作。只需垂直翻轉 PGSMC 即可啟動該過程實現流體順序釋放，無需額外的步驟或設備（圖1）。

圖1 PGSMC設計原理圖

為驗證PGSMC順序釋放的可行性，研究團隊分別進行理論建模、數值模擬和實際驗證。這些結果都表明在重力作用下延時通道可以逐一調節通道阻力進而控制流體順序釋放（圖2）。

圖2 順序釋放原理闡述和驗證

為進一步驗證其功能，研究團隊將PGSMC應用于多重抗核抗體測試。結果顯示，PGSMC可以在60 min之內完成即時免疫分析（傳統方法＞120 min），并且顯示了良好的特異性（圖3）。

圖3 基于PGSMC的抗核抗體免疫分析

最后研究團隊通過對臨床樣本分析測試進一步驗證了PGSMC的實際應用性。結果顯示，其達到了的96%的靈敏度、100%的特異性和99%的準確性。

圖4 PGSMC在臨床應用中的分析性能

綜上所述，該研究設計了一種可編程重力自驅動微流控芯片，其特點是設計簡單，不依賴外部驅動器或設備。PGSMC能夠實現可編程的多試劑釋放，多芯片操作和多靶標分析，從而完成高通量測試。用戶只需添加試劑即可輕松獲得結果。此外，與傳統方法（>120 min）相比，它在不到60 min內完成了抗核抗體免疫分析，并展示了良好的分析性能。針對25例臨床樣本的評估顯示出較好的敏感性（96%）、特異性（100%）和準確性（99%）。這項研究為POCT提供了新思路，特別是自動化流體控制方面。

華中科技大學劉筆鋒教授和陳鵬副教授為共同通訊作者。華中科技大學博士生袁慧娟、萬超為共同第一作者。該工作的完成也離不開王鑫博士、李順基博士、謝寒博士、錢純亙博士，杜偉教授、馮曉均教授和李一偉教授等其他合作者的幫助。該研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。

審核編輯：黃飛