2019-10-10 05:30:01
折叠一滴水解决便携式诊断设备的长期挑战

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如果您曾经停下脚步看着窗玻璃上的雨水,那您会看到两滴水接触并融合成一滴水时会发生什么。工作于这种现象的物理学可以为开发小型个人生物分析设备提供解决方案。来自IBM苏黎世研究中心和蒙特利尔理工大学肿瘤微流控技术实验室的国际科学家团队在《自然》杂志上报告了这一发现。

在芯片上安装实验室:长期的挑战

在过去的二十年中,在全球范围内对所谓的“芯片实验室”设备进行的研究表明,便携式工具有望仅需要少量的体液(例如血液,唾液,尿液)来筛查疾病或测量生物学数据。这些类型的微型系统已经可以使用很少的试剂进行简单的测量:血糖仪和妊娠试验就是两个例子。但是,更复杂的分析要求将单个样品与一系列精确数量的试剂按特定顺序混合在一起,这被证明更难开发。

将多种试剂集成到一个测试设备中的最有前途的方法之一是使用类似于喷墨打印的技术将微微升大小的液滴(几十亿分之一毫米)沉积到微系统中,然后密封该设备。与空气接触时,极少量的液体立即蒸发,留下非常精确的干燥试剂序列,当在测试时添加流体样品时,可以重新水合。但是,仍然存在一个主要困难:当液体流过干燥的试剂时,它会分散它们,“扰乱信号”,并阻止执行涉及精确生化测量的精密诊断步骤。

为了解决分散问题,IBM Research-Zurich的OnurGökçe,Yuksel Temiz和Emmanuel Delamarche提出了将水滴拉伸成类似于人发宽度的微通道中的长带状形状的想法,并迫使液体进入折叠起来。这样做时,水样的闭合方式类似于固定拉链的方式。

Precision经理Emmanuel Delamarche解释说:“这个非常有趣的过程使我们能够将干燥试剂所在的局部液体的流速降低到最低程度,这样,当试剂重新水化时,它们就不再分散了。” IBM Research-Zurich的Diagnostics组。

尽管观察到的结果是结论性的,但该团队研究了工作中的流体动力学现象,以便可以将其用作可靠过程的一部分。 Polytechnique肿瘤微流控实验室主任Thomas Gervais教授解决了该项目的这一部分。

从实验到建模

通过进一步研究水滴的行为,研究人员得出结论,它与聚结现象有关,在两个相互接触的液体的自发合并中可以看到一个例子。用物理学术语来说,聚结源于水分子之间的强亲和力,其作用是将暴露于空气中的水表面减至最小。这就是为什么微小的水滴是球形的:在所有几何形状中,对于给定的体积,球形具有最小的表面积。

Gervais教授解释说:“但是,在这种情况下,我们必须研究微通道中变形的水滴与自身另一部分融合时会发生什么。” “我们的目标是了解现象并加以控制,以便我们可以迫使液体停滞在与装置内部试剂相遇的精确位置。”

该现象被称为“自聚结”的模型是基于1950年代开发的一种数学方法来研究无限二维粘性流的。这项工作是由正在完成博士学位的塞缪尔·卡斯顿瓜(Samuel Castonguay)开发的计算技术完成的。在Gervais教授的指导下,在Polytechnique获得了工程物理学博士学位。为了使建模结果与实验结果保持一致,Castonguay先生前往苏黎世,与IBM研究人员一起工作了几个月。

“我们的模型不仅使我们能够掌握这种新型的流,而且我们还可以使用试剂的组合,以最小的分散,并且不需要用户干预,非常精确地编程化学信号的时空配置。” Gervais笔记。 “因此,我们两个团队之间的合作关系催生了一种新颖,特别灵活且精确的生化测试架构,该架构可在测试过程中同时保留数十种试剂的使用顺序。”

面向目标移动诊断工具

IBM团队还证明了这种类型的体系结构可用于测量酶反应,并着眼于检测各种疾病(例如遗传性疾病)。它还显示了DNA扩增方法的概念验证,该方法用于在室温下从样品中产生特定DNA片段的副本。该方法消除了技术人员对样品执行重复的加热和冷却循环的需要。将单个样品滴插入设备中,并自动执行分析。该实验显示了该方法在将来用于与癌症等病理相关基因的DNA测序以及检测某些病毒的潜力。

Delamarche博士说:“我们的希望是,我们的过程将使片上实验室制造商能够获得前所未有的诊断性能,其产品使用起来与当今的血糖仪一样简单。”

最后,鉴于此类测试记录的生化信号很可能可以通过智能手机读取并传输到集中式数据库,因此这些测试在监控远离医疗中心的偏远地区的流行病传播方面也可以发挥重要的未来作用,以及在国家和国际层面筛查各种疾病。

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