近年來，全球范圍內(nèi)的公共衛(wèi)生事件頻發(fā)，迫切需要高效的平臺進行快速檢測進而控制其傳播。然而，傳統(tǒng)的診斷方法通常涉及繁瑣且專業(yè)的操作步驟，需耗費大量的時間。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，即時檢驗（Point-of-care testing, POCT）逐漸嶄露頭角，利用便攜設(shè)備迅速提供結(jié)果，有助于應(yīng)對大流行疫情。微流控芯片是POCT領(lǐng)域的重要創(chuàng)新，通過微通道和微結(jié)構(gòu)在微尺度上精確控制流體流動、混合、分離和反應(yīng)，從而提高POCT的準(zhǔn)確性和效率。其中，重力驅(qū)動微流控系統(tǒng)以其通用性和垂直流動力顯示了巨大的前景。然而，值得注意的是，目前仍然缺乏能夠在不依賴外力的情況下自動控制多種流體的重力驅(qū)動微流控平臺。

2023年12月12日，華中科技大學(xué)生命學(xué)院劉筆鋒課題組在《Small》期刊上在線發(fā)表題為“Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip for Point-of-Care Multiplied Immunoassays”的研究文章。

該研究工作報道了一種獨特的可編程重力自驅(qū)動微流控芯片（Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip：PGSMC），能夠同時進行多試劑順序釋放、多靶標(biāo)分析和多芯片操作。只需垂直翻轉(zhuǎn) PGSMC 即可啟動該過程實現(xiàn)流體順序釋放，無需額外的步驟或設(shè)備（圖1）。

圖1 PGSMC設(shè)計原理圖

為驗證PGSMC順序釋放的可行性，研究團隊分別進行理論建模、數(shù)值模擬和實際驗證。這些結(jié)果都表明在重力作用下延時通道可以逐一調(diào)節(jié)通道阻力進而控制流體順序釋放（圖2）。

圖2 順序釋放原理闡述和驗證

為進一步驗證其功能，研究團隊將PGSMC應(yīng)用于多重抗核抗體測試。結(jié)果顯示，PGSMC可以在60 min之內(nèi)完成即時免疫分析（傳統(tǒng)方法＞120 min），并且顯示了良好的特異性（圖3）。

圖3 基于PGSMC的抗核抗體免疫分析

最后研究團隊通過對臨床樣本分析測試進一步驗證了PGSMC的實際應(yīng)用性。結(jié)果顯示，其達到了的96%的靈敏度、100%的特異性和99%的準(zhǔn)確性。

圖4 PGSMC在臨床應(yīng)用中的分析性能

綜上所述，該研究設(shè)計了一種可編程重力自驅(qū)動微流控芯片，其特點是設(shè)計簡單，不依賴外部驅(qū)動器或設(shè)備。PGSMC能夠?qū)崿F(xiàn)可編程的多試劑釋放，多芯片操作和多靶標(biāo)分析，從而完成高通量測試。用戶只需添加試劑即可輕松獲得結(jié)果。此外，與傳統(tǒng)方法（>120 min）相比，它在不到60 min內(nèi)完成了抗核抗體免疫分析，并展示了良好的分析性能。針對25例臨床樣本的評估顯示出較好的敏感性（96%）、特異性（100%）和準(zhǔn)確性（99%）。這項研究為POCT提供了新思路，特別是自動化流體控制方面。

華中科技大學(xué)劉筆鋒教授和陳鵬副教授為共同通訊作者。華中科技大學(xué)博士生袁慧娟、萬超為共同第一作者。該工作的完成也離不開王鑫博士、李順基博士、謝寒博士、錢純亙博士，杜偉教授、馮曉均教授和李一偉教授等其他合作者的幫助。該研究得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。

審核編輯：黃飛