有源矩陣數(shù)字微流控芯片，用于生成高分辨率濃度梯度

在生物化學(xué)研究中，樣本的濃度梯度制備對(duì)于理解復(fù)雜的生物學(xué)過程至關(guān)重要。濃度梯度在例如DNA分析、藥物篩選和免疫學(xué)分析等多種生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中起核心作用。傳統(tǒng)的濃度梯度制備方法涉及使用分析板，通常需要繁瑣且重復(fù)的手動(dòng)或機(jī)械操作，不僅操作復(fù)雜，而且難以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

近年來，基于微流控技術(shù)的濃度梯度生成方法逐漸成為一種重要的實(shí)驗(yàn)工具。其相較于宏觀系統(tǒng)具有試劑消耗低、控制簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于處理小體積樣本。然而，傳統(tǒng)的微流控系統(tǒng)通常依賴于復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)、微泵和閥門來實(shí)現(xiàn)控制，這些元件的存在限制了系統(tǒng)的操作靈活性和擴(kuò)展性。

電潤(rùn)濕技術(shù)（EWOD）作為一種先進(jìn)的微流控技術(shù)，提供了一種通過電信號(hào)控制液滴運(yùn)動(dòng)的方法，不依賴于傳統(tǒng)的微通道結(jié)構(gòu)，從而為液滴的精確操控和多樣化操作提供了可能。這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)液滴的移動(dòng)、生成、分裂和混合，為微流控器件的靈活性和功能多樣性開辟了新的路徑。然而，要實(shí)現(xiàn)更高精度的濃度梯度生成，仍需要進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化。發(fā)展一種新型微流控系統(tǒng)，以提高濃度梯度生成的分辨率和精確度，對(duì)于推動(dòng)生物化學(xué)研究和相關(guān)應(yīng)用的進(jìn)步具有重要意義。

近日，長(zhǎng)春理工大學(xué)李金華教授團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所馬漢彬教授團(tuán)隊(duì)、聯(lián)合奧素科技，基于有源矩陣數(shù)字微流控（AM-DMF）技術(shù)開發(fā)了一種新型芯片，與傳統(tǒng)的矩形坐標(biāo)電極布局不同，本芯片創(chuàng)新性地按照極坐標(biāo)形式排列33種尺寸共1797個(gè)電極。這種獨(dú)特的布局方式允許電極圍繞中心點(diǎn)呈同心圓排列，使得液滴的操控更為靈活高效。同時(shí)，由于每個(gè)電極可以獨(dú)立尋址，也便于調(diào)整液滴生成的大小和位置，極大地提高了液滴操控的靈活性和精確度。芯片能夠介于0.03 nL至3.29 nL體積之間生成高分辨率的液滴，在總樣本體積為14.8 nL的條件下，極坐標(biāo)AM-EWOD能夠生成207種不同的濃度梯度，而傳統(tǒng)矩形坐標(biāo)設(shè)計(jì)僅能產(chǎn)生10種。這種極高的體積控制能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)精細(xì)的濃度梯度調(diào)節(jié)至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)證實(shí)該芯片外圈電極具有近100%的單液滴生成效率，且變異系數(shù)（CV）值小于3%，在液滴生成和操控方面具有極高的可靠性和重復(fù)性。



圖1 用于高分辨率濃度梯度生成的AM-EWOD芯片：（a）AM-EWOD芯片的照片；（b）極坐標(biāo)電極布局；（c）像素電路示意圖；（d）兩種芯片設(shè)計(jì)的參數(shù)圖。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還分別進(jìn)行了熒光檢測(cè)系統(tǒng)和吸收檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，熒光檢測(cè)系統(tǒng)通過DMF液滴控制模塊、雙軸控制模塊和自定義的控制軟件來定義液滴的運(yùn)動(dòng)路徑，并采用20倍目鏡進(jìn)行光點(diǎn)大小的調(diào)節(jié)。吸收檢測(cè)系統(tǒng)使用光纖光譜儀作為檢測(cè)端，通過定制的0.4米光纖光纜與準(zhǔn)直透鏡連接。使用505 nm的LED光源檢測(cè)芯片上不同濃度的葡萄糖反應(yīng)的線性曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示生成的數(shù)據(jù)具有高度的線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.99045），證實(shí)了實(shí)驗(yàn)的高重復(fù)性和準(zhǔn)確性，也體現(xiàn)了其在復(fù)雜生物化學(xué)分析中的應(yīng)用潛力。

圖2 定量熒光分析實(shí)驗(yàn)：（a）不同濃度的熒光溶液的明場(chǎng)、暗場(chǎng)及疊加圖像；（b）不同濃度熒光溶液的熱圖；（c）不同濃度溶液的明場(chǎng)、暗場(chǎng)和熱圖疊加圖像；（d）描述熒光強(qiáng)度與熒光溶液濃度關(guān)系的圖表。

該成果以“Polar coordinate active-matrix digital microfluidics for high-resolution concentration gradient generation”為題，發(fā)表在英國皇家化學(xué)會(huì)期刊Lab on a Chip上，并入選為封面文章。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D3LC00979C