有源矩阵数字微流控芯片,用于生成高分辨率浓度梯度

描述

在生物化学研究中,样本的浓度梯度制备对于理解复杂的生物学过程至关重要。浓度梯度在例如DNA分析、药物筛选和免疫学分析等多种生物化学实验中起核心作用。传统的浓度梯度制备方法涉及使用分析板,通常需要繁琐且重复的手动或机械操作,不仅操作复杂,而且难以保证实验的准确性和重复性。

近年来,基于微流控技术的浓度梯度生成方法逐渐成为一种重要的实验工具。其相较于宏观系统具有试剂消耗低、控制简便、自动化程度高等优点,特别适用于处理小体积样本。然而,传统的微流控系统通常依赖于复杂的微通道结构、微泵和阀门来实现控制,这些元件的存在限制了系统的操作灵活性和扩展性。

电润湿技术(EWOD)作为一种先进的微流控技术,提供了一种通过电信号控制液滴运动的方法,不依赖于传统的微通道结构,从而为液滴的精确操控和多样化操作提供了可能。这种技术能够实现液滴的移动、生成、分裂和混合,为微流控器件的灵活性和功能多样性开辟了新的路径。然而,要实现更高精度的浓度梯度生成,仍需要进一步的技术创新和设计优化。发展一种新型微流控系统,以提高浓度梯度生成的分辨率和精确度,对于推动生物化学研究和相关应用的进步具有重要意义。

近日,长春理工大学李金华教授团队、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所马汉彬教授团队、联合奥素科技,基于有源矩阵数字微流控(AM-DMF)技术开发了一种新型芯片,与传统的矩形坐标电极布局不同,本芯片创新性地按照极坐标形式排列33种尺寸共1797个电极。这种独特的布局方式允许电极围绕中心点呈同心圆排列,使得液滴的操控更为灵活高效。同时,由于每个电极可以独立寻址,也便于调整液滴生成的大小和位置,极大地提高了液滴操控的灵活性和精确度。芯片能够介于0.03 nL至3.29 nL体积之间生成高分辨率的液滴,在总样本体积为14.8 nL的条件下,极坐标AM-EWOD能够生成207种不同的浓度梯度,而传统矩形坐标设计仅能产生10种。这种极高的体积控制能力对于实现精细的浓度梯度调节至关重要。实验证实该芯片外圈电极具有近100%的单液滴生成效率,且变异系数(CV)值小于3%,在液滴生成和操控方面具有极高的可靠性和重复性。

微流控芯片

图1 用于高分辨率浓度梯度生成的AM-EWOD芯片:(a)AM-EWOD芯片的照片;(b)极坐标电极布局;(c)像素电路示意图;(d)两种芯片设计的参数图。  

此外,研究团队还分别进行了荧光检测系统和吸收检测系统的设计,荧光检测系统通过DMF液滴控制模块、双轴控制模块和自定义的控制软件来定义液滴的运动路径,并采用20倍目镜进行光点大小的调节。吸收检测系统使用光纤光谱仪作为检测端,通过定制的0.4米光纤光缆与准直透镜连接。使用505 nm的LED光源检测芯片上不同浓度的葡萄糖反应的线性曲线,实验结果显示生成的数据具有高度的线性关系(相关系数为0.99045),证实了实验的高重复性和准确性,也体现了其在复杂生物化学分析中的应用潜力。

微流控芯片

图2 定量荧光分析实验:(a)不同浓度的荧光溶液的明场、暗场及叠加图像;(b)不同浓度荧光溶液的热图;(c)不同浓度溶液的明场、暗场和热图叠加图像;(d)描述荧光强度与荧光溶液浓度关系的图表。  

该成果以“Polar coordinate active-matrix digital microfluidics for high-resolution concentration gradient generation”为题,发表在英国皇家化学会期刊Lab on a Chip上,并入选为封面文章。

论文链接:

https://doi.org/10.1039/D3LC00979C


 

审核编辑:刘清
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