以起始、傳播和終止為特征的鏈式反應在微觀尺度上是隨機的，是重要的化學（例如內燃機）、核和生物技術（例如聚合酶鏈式反應）應用的基礎。在宏觀尺度上，鏈式反應是確定性的，但目前僅限于娛樂和藝術方面的應用，例如多米諾骨牌和魯布·戈德堡機械。另一方面，微流控芯片實驗室（也稱為微全分析系統）在實際應用中仍然依賴于繁瑣的外圍設備、復雜的連接和用于自動化的計算機。毛細管微流控技術通過使用毛細管現象將能量供應和流量控制集成到單個芯片上，但可編程性仍然很初級，最多不能超過8次操作。

據麥姆斯咨詢報道，為了有效解決以上問題，近期，加拿大麥吉爾大學（McGill University）研究人員在Nature上發文，提出了微流控鏈式反應（microfluidic chain reaction，MCR）的概念，并將其闡述為毛細流動現象的有條件的、結構程序化的拓展。集成MCR的單片芯片可以由3D打印獲得，并由紙泵的自由能提供動力，逐步自動執行樣品處理算法。借助MCR，研究人員自動化了：（1）跨鏈式互連芯片順序釋放300個等分試樣；（2）唾液中新冠病毒（SARS-CoV-2）抗體檢測；（3）通過對凝血激活血漿的連續二次取樣和分析進行凝血酶生成測定。MCR不受外圍設備的束縛，可以在原位結構上對程序進行編碼，最終形成一個經濟、多功能、真正微型的芯片實驗室，在樣品處理和即時診斷方面具有廣泛的應用。

為了控制鏈式反應過程，研究人員利用MCR編碼存儲在一系列容器中的試劑的確定性釋放。具體來說，容器n中試劑的釋放取決于容器n-1中試劑的清空（排空），并且清空容器n，進而觸發容器n+1中試劑的釋放。除了MCR，研究人員還利用毛細管多米諾微閥（CDV）對相關條件進行編碼，并串聯連接，從而控制鏈式反應的傳遞（圖1）。

圖 1 具有單片CDV的MCR，用于在毛細管回路（CC）中連續輸送試劑

接下來，研究人員使用具有不同毛細管壓力和流速的泵測試了幾個功能連接的MCR，發現MCR操作窗口的理論和實驗非常一致，概念驗證應用程序中使用的MCR設計（圖2）完全處于故障閾值之內，有助于確保鏈式反應的可靠傳遞。然后，研究人員成功設計了一個實現液-氣無泄漏連接的芯片接口，用來連接分別具有75個MCR的四個芯片。該結果說明了MCR和CDV的可靠性，并證明了“無源”毛細管微流控系統的集成、大規模流體操作，超出了許多“有源”計算機可編程微流控系統的能力。

圖 2 電路分析和實驗確定MCR的操作窗口

唾液中SARS-CoV-2的核衣殼蛋白（N蛋白）抗體，在早期感染檢測、作為預后指標的初步患者評估以及用于區分接種疫苗和自然感染個體的血清研究方面，具有良好的應用潛力。然而，常規的側向流動測定雖然操作簡單，但其讀數保留時間通常只有幾分鐘，且作為實驗室酶聯免疫吸附測定（ELISA）基礎的酶促擴增操作較為復雜。為了對其操作進行優化，研究人員使用MCR將常見實驗室ELISA協議中的8個步驟序列自動化（圖3）。首先將芯片連接到一個小紙泵以排出多余的緩沖液，并將用于測定讀數的硝酸纖維素條連接到一個驅動MCR的大容量紙泵。使用3,3′-二氨基聯苯胺作為底物，在酶促轉化時產生持久的棕色沉淀物，既可以作為即時讀數，也可以作為存檔記錄。結果可以用肉眼看到，也可以使用集成了簡單折疊折紙盒的掃描儀或智能手機進行量化，以最大限度地減少光干擾，并具有靈敏、定量和可重復的輸出功能。

圖 3 集成MCR用于唾液中SARS-CoV-2抗體血清學檢測

最后，研究人員設計了一種算法（圖4），用于通過級聯、迭代和分支流體操作來實現自動化和定時程序，并將其結構化地編程到3D打印芯片中，使芯片具備自動執行血漿子樣本凝血酶生成測定分析的能力。將去纖維、凝血激活的血漿子樣本和試劑裝載到芯片中，在觸發MCR時，無需進一步干預，它們以1min的間隔從10對儲液器中釋放，在蛇形混合器中混合并儲存在反應室，用于熒光信號生成和數據讀取。

圖 4 通過連續分析血漿子樣本實現自動化微流控凝血酶生成測定（TGA）

此項研究中，研究人員設計的MCR是可推廣的，其與正壓操作兼容，并且可以與主動微流控和機器人樣品處理系統連接。毛細流動MCR也可以通過永久親水性樹脂或涂層、液體儲存袋和預干燥試劑得到進一步改進，在即時診斷方面有深遠的應用價值。用戶只需在檢測器件入口處放置一滴溶液，即可觸發定時操作的編排，包括等分、輸送、混合、沖洗和化學品的反應。由于MCR可以在芯片中進行3D打印和單片編碼，因此進入壁壘非常低（入門級樹脂打印機成本<300美元），可以很容易地在家自制，也可以很方便地郵購，為可打印、可下載的微流控應用程序發展開辟了道路。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩