一种基于磁性数字微流控的自动化POCT平台

即时检测 （POCT） 应用在基层医疗机构、患者床旁或其它特殊场所进行检测诊断，省去样本周转时间，降低试剂成本，减少样品使用量，并能迅速给出结果，成为近些年IVD领域的热门。

一个基于磁性数字微流控（Magnetic Digital Microfluidics，简称MDM）技术的自动化POCT免疫诊断平台，近期被中新国际联合研究院、南洋理工等共同提出。设计思路和方案有点意思。

这个MDM平台被称为DropLab，它以液滴的形式操纵流体，适用于需要相对复杂的液体处理程序，或者多个分离反应步骤的异质测试。

MDM能够进行多种液滴操作，例如液滴移动、液滴混合、磁性微珠提取和液滴分配，可以用作POCT的全功能微流体平台。例如，基于MDM的自动化分子检测平台用于使用PCR检测丙型肝炎病毒和衣原体。

DropLab概述

DropLab平台主要由一个磁滴操纵模块，一个基于成像的光学检测模块和一个一次性DropLab芯片及芯片适配器组成（图1-a）。

如图1-ai所示，顶部和底部磁铁安装在U形磁力架上以实现同步运动。机架上最多可安装四组磁铁，用于同时处理芯片上不同单元中的多个样品。

光学检测模块包括一个用于捕获液滴图像的摄像头和一个透射光源，该光源为整个DropLab芯片提供均匀的照明。具有不同内部设计的DropLab芯片可以通过通用型的适配器加载到平台上。

如上图b，整个DropLab平台通过电源端口由12V/2A电源供电。

上图c展示了DropLab上免疫诊断测试的工作流程。所有必需的试剂都预加载到芯片上。将芯片放入适配器中并加载到平台中，根据系统提示选择预存储的程序，一键启动即可。

磁滴操纵模块通过移动安装在机架上的四组磁铁，以预定义的移动顺序控制液滴的运动。光学检测模块在透照下识别反应液滴并进行测量。测试完成后，结果将显示在屏幕上。

DropLab平台具有友好的界面和通用适配器的交互式软件，可轻松装载芯片，对非专业人士非常友好。

DropLab免疫诊断芯片的设计

图2-a所示的DropLab芯片由4单元（图2-b，单元1~4）组成，四个单元（三份样品和一个阴性对照）可以并行运行，可用于多次重复测试同一样品或在单个芯片上测试不同的样品。

芯片包括芯片板和盖片。芯片板上有微坑和微槽道（图2-a），使用聚丙烯（PP）片材热成型制成，这是一种适合大规模制造的工艺。凹陷的微坑容纳样本和试剂，微槽道连接相邻的微坑，为液滴和微珠的运动建立路径。

图2-a显示了宽（1.3 mm）和窄（0.6 mm）微槽道的放大视图。较宽的微槽道允许液滴通过，而狭窄的微槽道方便从液滴中提取磁珠。盖片主要用于封闭芯片。

光学检测模块采集芯片上的液滴图像，并通过提取反应液滴的强度信息来分析结果。为了校正基于图像的强度响应对浓度的非线性，通过将分光光度计测量的连续稀释液滴的光密度（OD）与从液滴图像获得的逆蓝色通道强度相关联来绘制校准曲线。校准曲线如图2-c所示。

磁铁的运动控制

如图3-a所示，上面和下面磁铁固定在U形磁力架上同步移动。磁场的强度以及磁珠、液滴的运动取决于磁力架的水平移动和Z向运动。

为了简化运动序列的设置，垂直Z方向被离散地分为四层（底部，中性，夹层和顶层），并且在每层（T、M、N、B）中定义了与DropLab芯片上微坑位置相对应的九个关键点（图3-a）。

磁立架仅在四层的这些预定义关键点之间移动，并且通过指定起点和终点来勾勒出每条移动路径。例如，命令“T1 到 N5”表示磁力架从顶层点 1 移动到中性层点 5。

如上图b所示，上面磁铁下降与盖片接触，磁珠集中在顶层盖板。相反，下面磁铁升高时与芯片微坑的底部接触。在其他层中，磁场通常较弱，其中磁铁对磁性微珠和液滴的影响较小（图3-a）。在顶层或底部，磁力足够强，可以将所有磁珠集中在盖片顶层或微坑底部。在夹层中，顶层磁铁能够部分吸引微珠，使微珠可以随着磁铁在液滴内移动，但不会形成团簇。在中性层，磁珠被底部磁铁吸引到微孔底部；但是不足以使液滴移动。

当磁铁控制磁珠在中性层时，磁力较弱，磁铁可以在中性层中沿着水平面方向安全地移动，而不会引起液滴和磁珠的意外移动。因此，中性层用作磁力架的归位和启动运动。

DropLab 上对的液滴操控

当下面磁铁靠近芯片底部，磁珠形成一个簇。当磁铁从当前关键点移动到相邻的关键点时，磁珠会随之移动并拖动液滴。如果连接的微槽道相对较宽，液滴可以通过微槽道移动到相邻的微坑，进行移液或者两个液滴混匀。

另一种情况是，微槽道与液滴相比，相对较窄，只有磁珠簇可以通过微通道移动，而液滴运动受到限制，导致从液滴中提取磁性微珠。

为了增强液滴的混匀效果，或者提高ELISA中的洗涤质量。运用混合策略通过在垂直方向上移动磁铁，和在平面方向上旋转磁铁来搅动液滴中的磁珠。整体效果类似于搅拌咖啡，以实现高效混合。

为了验证 DropLab，进行了 ELISA 检测。测试结果表明，DropLab的检测限（LOD）与常规ELISA在微孔板中的检测限（LOD）相当。DropLab为POCT免疫诊断提供了一种新方法，使MDM技术更接近于临床检测应用。