基于光固化通道数字微流控芯片的“样本到答案”数字PCR平台

MEMS 2024-01-04 00:01

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数字PCR（dPCR）是一种用于核酸绝对定量的强大技术，具有超高灵敏度。然而，一个不可或缺的过程——核酸提取（NAE）难以与dPCR整合到一个单一器件中，因为它们都涉及复杂的过程和精细的流体操控。目前，微流控领域有两种主流平台：基于通道的微流控（channel-based microfluidics，CMF）和数字微流控（digital microfluidics，DMF）。这两种技术的结合非常具有挑战性。

为解决上述问题，来自浙江大学和杭州医学院的研究人员开发了一种具有显著优点的光固化通道数字微流控芯片（pCDMF），其可以实现DMF的所有基本功能，并能够通过自由设计各种微通道和微结构来实现CMF的流体功能，从而实现核酸提取与dPCR的整合。相关研究成果以“Photofabricated channel-digital microfluidics (pCDMF): A promising lab-on-a-chip platform for fully integrated digital PCR”为题发表在Sensors and Actuators期刊上。

这种光固化通道数字微流控芯片使用光固化材料通过光刻技术直接构建微流控通道，无需繁琐的疏水涂层处理，因而整个制造过程非常简便。获得的pCDMF能够在一个单一的器件中同时精确处理离散微液滴和连续流体。此外，该研究还旨在证明pCDMF用于一体化样本到答案的数字PCR（sample-to-answer digital PCR）的可能性。

（A）用于完全整合NAE和液滴数字PCR（ddPCR）的拟议pCDMF示意图。基于DMF的NAE实验过程包括样品裂解、DNA与磁珠结合、洗涤和洗脱四个步骤。然后，含有纯化DNA的液滴被驱动进入T型连接通道，用于微液滴生成和随后的ddPCR检测；（B）pCDMF的分解图。由于制造工艺具有相似的光固化机制，因此可以非常方便地实现多层不同材料的3D堆叠。（C）pCDMF的照片。将红色染料溶液注入芯片中，使通道结构可见。（D）通道结构图（红线）和电极图案（蓝线）。

pCDMF制造的详细工作流程：（A）疏水介电层（HDL）是在带有图案电极的载玻片上制造的。它由介电常数约为5.1的硫醇烯（TE）聚合物和接触角为110°的氟化聚合物（PFPEDA）组成，可以原位固化并共价连接在一起。（B）光固化通道层（PCL）通过改进的CERP方法制造，导电膜嵌入复合弹性体和PCL之间。由于HDL和PCL表面都存在丙烯酸酯基团，因此这两个部件可以轻松进行UV粘合，形成封闭的器件。

综上所述，该研究开发了一种名为光固化通道数字微流控芯片（pCDMF）的新型微流控平台。这个平台结合了基于通道的微流控（CMF）和数字微流控（DMF）的优势，旨在提高生物医学实验中核酸提取（NAE）和液滴数字PCR（ddPCR）的效率和精度。pCDMF利用光固化材料和简化的光刻技术，有效结合了CMF和DMF的功能。这种设计使得pCDMF可以同时处理离散的液滴和连续的流体，这在传统微流控系统中是不常见的。pCDMF的设计使其能够在一个单一的器件中实现NAE和ddPCR的完全整合，这对于生物医学实验尤其重要。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4549503

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