基于機(jī)器人操作的微流控片上檢測方法，提高現(xiàn)場即時診斷的準(zhǔn)確性

標(biāo)準(zhǔn)診斷方法由于依賴于醫(yī)療實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)人員，以及耗時的方案、高昂的人工成本和昂貴的設(shè)備等局限性而無法滿足要求。相比之下，即時診斷（POCT）方法利用簡化的儀器和樣本到答案的程序，可在醫(yī)療機(jī)構(gòu)之外進(jìn)行定性診斷。這種簡化的模式加上及時的響應(yīng)，使POCT易于采用和廣泛傳播。然而，這些方法往往需要在檢測復(fù)雜性和檢測可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡，因此不足以作為獨(dú)立的診斷工具。開發(fā)無需人工操作即可處理標(biāo)準(zhǔn)檢測的分散式、可實(shí)地部署的實(shí)驗(yàn)室，可提高全球檢測能力，從而為公共安全提供更具成本效益、更方便用戶的醫(yī)療保健服務(wù)。

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘挺睿教授課題組報道了一種可以使用機(jī)器人進(jìn)行操作的微流控片上檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)多色酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）。相關(guān)成果以“Multicolor-Assay-on-a-ChipProcessed by Robotic Operation (MAC-pro) with Improved Diagnostic Accuracy forField-deployable Detection”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志AnalyticalChemistry上，并被遴選為當(dāng)期補(bǔ)充期刊封面。

通過利用這種基于機(jī)器人進(jìn)行操作處理的芯片上多色免疫測定（MACpro）方法，該研究可以滿足部署具有自主和可靠疾病診斷能力的分散實(shí)驗(yàn)室的需求。MACpro平臺由機(jī)器人-微流控界面和手眼模塊組成，可提供靈活而穩(wěn)定的操作，以可編程的方式執(zhí)行任務(wù)，如沿不同路徑精確操作微流控芯片。以干擾素-γ為例，MACpro的檢測靈敏度和檢測范圍相比于傳統(tǒng)方法提高了一個數(shù)量級。

MACpro平臺集成了手眼（EIH）校準(zhǔn)功能，通過映射和重建整個平臺上目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)，對機(jī)器人末端效應(yīng)器進(jìn)行操作和運(yùn)動校正。EIH耦合機(jī)器人-微流控界面提供了可編程的操作，以執(zhí)行多種任務(wù)，如機(jī)械搬運(yùn)（如微流控芯片的取放）和高穩(wěn)定性的流體操作。在微流控芯片的反應(yīng)腔中，裝入抗體結(jié)合微珠可提高抗體固定能力，而抗體的固定能力是影響檢測結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)。此外，MACpro利用AuNRs和蝕刻劑產(chǎn)生信號，取代了傳統(tǒng)ELISA中使用的常規(guī)酶（如辣根過氧化物酶）和底物，可根據(jù)不同濃度的分析物顯示不同的顏色。Cu2?作為催化劑可將蝕刻速度提高約3倍（<20分鐘），從而提高檢測效率。

MACpro平臺示意圖

該研究開發(fā)的MACpro平臺通過機(jī)械臂的三維移動、末端效應(yīng)器對微流控芯片的取放等程序進(jìn)行工作。在抓取和夾緊微流控芯片后，末端效應(yīng)器將通過氣動互連與芯片嚙合。末端不對齊會導(dǎo)致氣動壓力出現(xiàn)重大誤差，影響后續(xù)的液體處理過程。通過設(shè)置了手眼校準(zhǔn)方法，可以定位芯片的空間坐標(biāo)，同時校正末端效應(yīng)器的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與微流控接口的自動分組。

MACpro平臺的功能說明

針對微流控芯片室在干擾素-γ（IFN-γ）濃度為0至600pg/mL時的檢測結(jié)果，數(shù)碼照片可以清晰地顯示出從紅棕色到黃色的漸變色。在45 pg/mL IFN-γ以上，λmax從1100 nm變?yōu)?00 nm。λmax與IFN-γ濃度的校準(zhǔn)曲線是通過邏輯擬合繪制的（R2=0.998）。在較低的濃度范圍（0-35 pg/mL），只能在525 nm處測得吸收強(qiáng)度不同的單峰。因此，研究人員用邏輯擬合法繪制了二級校準(zhǔn)曲線（R2=0.992）。與標(biāo)準(zhǔn)ELISA相比，檢測靈敏度和動態(tài)檢測范圍均提高10倍。

MACpro多色酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)的檢測結(jié)果

綜上所述，研究人員開發(fā)了基于機(jī)器人集成微流控芯片與等離子體生物傳感器的MACpro平臺。MACpro可自動執(zhí)行涉及標(biāo)準(zhǔn)ELISA的多項(xiàng)任務(wù)，如通過手眼校準(zhǔn)拾取和放置微流控芯片、高精度進(jìn)出液處理以及通過光譜儀集成進(jìn)行比色測量?？贵w結(jié)合微珠和AuNRs生物傳感器的等離子刻蝕技術(shù)的應(yīng)用，有助于提高檢測靈敏度和動態(tài)范圍。得益于MACpro平臺的模塊化配置和工作流程的可編程自動化，所介紹的方法有利于現(xiàn)場和實(shí)地部署檢測，并可靈活地用于檢測診所和遠(yuǎn)程環(huán)境中的各種目標(biāo)。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c05918