基于电润的数字微流体平台，用于自动酶链接免疫吸附测定
2020年2月23日
基于电润的数字微流体技术利用微升体积液滴表面接触角的电压驱动变化，便于操作。结合功能化磁珠，能够集成多个实验室单元操作，以便使用酶相关的免疫吸附测定 （ELISA） 制备样品和识别病原体。
自动激活单个液滴，可以将实验室单元操作的复杂序列引入一个芯片。我们的数字微流体平台可快速处理病毒病原体的特异性现场检测。该方法基于使用基于EOD的数字微流体结合磁免疫沉淀对特定抗原进行定量检测。
在此贡献中，对含有各种细菌、孢子、病毒和蛋白质浓度的样品进行评估。此过程完全自动化、顺序性、可扩展性和多功能性。可以修改 和 液滴卷的顺序，以符合特定协议的要求。
数字微流体平台完全回避基于抗体的传感，可以构建一个潜在的应用，其基础是磁珠携带特定的解托器，用于捕获和检测核苷酸序列。首次尝试此技术时，必须考虑表面活性剂的类型，以及它如何与您选择的生物化学和疏水聚合物涂层相互作用。首先从数字微流体或 DMF 平台上取出磁铁，然后将其放在长椅上。
将清洁驱动板放在旋转级上，使铬朝上，使板与凹陷阶段的左上角对齐。使用带 47 个接触销的面板将驱动板从顶部夹住，从而将板固定到位，并便于与接触销对齐。然后将 0.5 毫米垫片和两毫米 PMMA 分离器板板到旋转阶段，以提供驱动板和盖板之间的受控间隙。
要将液滴加载到建议的装载垫上，请使用每个垫的一个液滴将四个 2.5 微升液滴从运行缓冲液滴到 B、A、R 和 E 表示垫上。然后将2.5微升的发光氢过氧化物溶液放到E表示垫上。接下来，将2.5微升的中性黄素与HRP生物素化二次抗体和微珠结合到F、G和表示垫上。
最后，将未知样品的2.5微升等到C表示垫上。将盖板放在圆形凹槽区域旁边的钻机表面上，横向将其滑入凹槽和驱动板顶部。将永磁体放在盖板顶部，通过滑动两个闩锁固定它，然后旋转舞台 180 度，然后目视检查，以确保加载的液滴仍然就位。
检查每个液滴的加载位置与软件中的编程驱动顺序匹配。将光探测器屏蔽的部件插入旋转舞台的插槽并连接电缆。将盖子放在 DMF 平台上，并使用软件界面启动程序序列。
通过电容式传感记录液滴位置，然后在用户界面上观察。程序序列将提示界面上出现的消息，通知操作员发光液滴已准备好收集提取的磁珠或检测液滴已准备好移动到检测站点。在这两种情况下，都需要操作员进行确认才能继续。
化学发光反应产生的光强由光检测器读取并实时记录。若要在可视化模式下操作以优化协议，请使用软件界面启动程序序列。自动液滴驱动可以在芯片上可视化每个关键检测步骤，如磁珠提取、珠子再悬浮和混合。
当提示时，将屏幕的光电探测器安装到旋转阶段的狭缝中。通过将引脚插入插座，连接屏蔽的光探测器的电缆。将盖子盖在 DMF 平台上，然后恢复检测。
通过电容式传感进行液滴监测，可以在用户界面上观察。要清洁设备，请打开 DMF 平台盖并旋转舞台 180 度。使磁铁外壳无兴，然后从旋转阶段取出磁铁。
用一对钳子从滑道上取出硅片，然后用蒸馏水冲洗。然后用压缩空气干燥，并放在培养皿中，在那里可以储存和重复使用晶圆。使用微吸管在不接触表面的情况下清除垫上的液体废物，并使用吸水纸从驱动板中吸芯中吸出液体来清洁表面。
为了研究驱动电压的影响，缓冲液中的液滴在各种驱动电压下被驱动，并记录了其运动。证明了Vrms与平均速度的相关性，并在一定的Vrms值后观察到速度稳定。使用Vrms的高值时，驱动板的寿命降低。
对于萃取实验室单元操作，含有悬浮珠的液滴被驱动到混合区中间的分离点。然后，磁铁被自动激活，接近芯片和对焦珠子。接下来，水滴被移到废纸垫上，留下珠子。
EWOD 芯片上的提取和混合实验室单元操作有助于在 6 到 10 分钟内连续检测病原体，从而实现小型快速可重复的样品处理。孵育时间与结合浓度不同，以找到测定的最佳条件。结果发现，160秒的孵化时间和每毫升2微克的联结浓度达到最佳的声噪比。
可以引入协议中的变体，以实现所需的自动化水平。八步ELISA用于检测不同的抗原，如杆菌萎缩孢子和MS2噬菌体。同时，10步协议被用来量化大肠杆菌。
请务必确保施加的电压、分析物和试剂的浓度是激活液滴和成功分离芯片的最佳方法。为了实现精确的测量，应考虑珠结合能力，并可能需要对分析物进行连续稀释。通过交换抗体的类型，可以检测出与结果部分报告不同的病原体。
该方法也可以应用于生物标志物检测或护理点诊断等。除了已经提出的应用外，该系统还以空气中病原体的场外检测为设计。DMF 是此应用的理想平台，因为液滴体积与我们最近开发的其他采样器的输出相匹配。
概述
本研究提出了一种基于电湿润的数字微流体平台，用于快速检测病毒病原体。该方法将磁性免疫沉淀与自动化液滴操控相结合，实现了高效的样本处理。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流体学
- 病原体检测
- 自动化实验室流程
背景
- 电湿润在介质上（EWOD）技术允许精确控制液滴。
- 磁性微珠可以提高检测方法的灵敏度。
- 酶联免疫吸附试验（ELISA）是病原体识别的常用技术。
- 微流体学中的自动化可以简化实验室工作流程。
研究目的
- 开发一个全自动的数字微流体平台用于病原体检测。
- 评估平台对各种病原体的性能。
- 优化检测条件以提高检测灵敏度。
使用的方法
- 使用EWOD技术进行自动化液滴操作。
- 磁性免疫沉淀用于样本准备。
- 实时监控液滴运动和检测进度。
- 优化孵育时间和试剂浓度。
主要结果
- 该平台成功检测了各种浓度的病原体。
- 最佳条件为160秒的孵育时间和2 µg/mL的结合物浓度。
- 自动化过程将检测时间缩短到6-10分钟。
- 通过电容式传感实现了液滴操作的视觉监控。
结论
- 数字微流体平台对快速病原体检测有效。
- 自动化提高了实验室检测的重复性和效率。
- 未来的应用可能包括基于适体的生物传感技术。
常见问题
Executive Industry Relevance
This electrowetting-based digital microfluidic platform enables rapid, automated ELISA for pathogen detection, reducing assay time to 6-10 minutes with minimal reagent volumes. The integration of magnetic immunoprecipitation and real-time monitoring supports high-throughput screening and reproducible results, addressing bottlenecks in early-stage target validation and assay development. Its scalability and adaptability to various antigens enhance predictive confidence in lead identification and preclinical triage.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through quantitative antigen detection across bacteria, spores, viruses, and proteins.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing reproducible, miniaturized sample processing with consecutive detection steps.
- Predictive Value: Optimized conditions (160-second incubation, 2 µg/mL conjugate) improve signal-to-noise ratio, aiding portfolio decisions based on robust functional data.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems via magnetic bead-based antigen capture, enabling downstream screening applications.
- Operational Value: Ensures assay standardization through automated droplet actuation and capacitive sensing, enhancing reproducibility across runs.
- Scalability: Microfluidic design allows reagent conservation and platform reuse, supporting scalable compound evaluation workflows.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Connects discovery to preclinical validation through consistent, quantitative pathogen detection in disease-relevant systems.
- Mechanistic De-risking: Reduces ambiguity in target engagement by isolating antigen-antibody interactions on a controlled microfluidic interface.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables data-driven go/no-go decisions via rapid, multiplexed pathogen quantification.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical work, supporting hypothesis testing and assay readiness.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification via quantitative detection of specific antigens using EWOD and magnetic immunoprecipitation.
- Screening: Delivers assay readiness through automated, sequential droplet manipulation and real-time monitoring of critical steps like bead extraction and mixing.
- Analytics: Provides quantitative chemiluminescent readouts via photodetector, enabling comparison of antigen concentrations and assay conditions.
- Translational Research: Supports preclinical continuity by generating reproducible pathogen detection data adaptable to biomarker applications.
- Enterprise Reuse: Designed as a modular, scalable platform for repeated use across multiple targets and pathogen types.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through precise, quantitative antigen detection.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability via automated droplet control and minimal reagent consumption.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced biological risk in early development.
- Portfolio Impact: Risk-based prioritization enabled by rapid, multiplexed pathogen profiling.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, immunassay design, and surface chemistry optimization.
- Needs EWOD actuation hardware, magnetic actuation system, photodetector for chemiluminescence, and software for sequence control.
- Demands cross-team standardization of droplet volumes, surfactant compatibility, and hydrophobic coating selection.
- Requires adaptation considerations when switching antibody types or applying to aptamer-based biosensing.
- Practical limitations include voltage-dependent actuation longevity and the need for optimal surfactant-biochemistry-polymer interactions.
