《Lab on a Chip》：Lab-on-a-capillary: instrument-free compartmentalization using photopatterned hydrogel rings embedded inside a glass capillary for amplified bioassaysOpen Access
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灵敏且低成本的蛋白生物标志物检测对疾病诊断至关重要。先进的微流控系统可生成微型反应隔室，用于高灵敏度检测；然而，这类平台通常需要外部仪器、熟练操作人员和复杂的实验装置。在此，研究人员利用可重构的停止流动光刻系统，在玻璃毛细管内集成了光图案化水凝胶环，开发了一种
灵敏且低成本的蛋白生物标志物检测对疾病诊断至关重要。先进的微流控系统可生成微型反应隔室，用于高灵敏度检测；然而，这类平台通常需要外部仪器、熟练操作人员和复杂的实验装置。在此，研究人员利用可重构的停止流动光刻系统，在玻璃毛细管内集成了光图案化水凝胶环，开发了一种毛细管芯片实验室（Lab-on-a-capillary，LabCap）平台。在样品加载和卸载过程中，水凝胶环周围会自发形成纳升级水性液滴（torodrops），从而产生隔离的反应隔室，无需外部仪器或不相容油相。LabCap平台能够检测临床相关生物标志物，包括C反应蛋白（CRP）和N末端前B型利钠肽（NT-proBNP）。通过调整孵育方案，可调节检测性能以满足不同分析需求。16 min周期性介质交换方案得出的计算检测限为CRP 1.3 ng mL?1、NT-proBNP 1.8 ng mL?1；而静态孵育在1 h后对两种生物标志物均得到0.5 ng mL?1的检测限，在匹配的16 min孵育下对CRP得到0.14 ng mL?1。此外，LabCap具有实用优势，包括制造单个装置的材料成本低（<�1）、试剂消耗少（每个检测步骤<100 μL）以及洗涤缓冲液用量最少（1 mL）。这些结果表明，LabCap是一种简单、经济且多功能的分隔化生物标志物检测平台。
研究背景与问题：蛋白质生物标志物的灵敏、低成本检测对疾病诊断至关重要。现有微流控液滴和微孔阵列平台虽能提供微型反应隔室，但依赖洁净室制造、外部仪器和熟练操作；水凝胶颗粒模板化液滴虽简化了检测操作，但颗粒制备仍需专用微流控装置，且表面活性剂稳定液滴可能引起信号泄漏；纸基-水凝胶平台成本低但纸张异质孔隙难以精确控制凝胶几何与反应体积；传统玻璃毛细管酶联免疫吸附测定（ELISA）通过化学偶联将抗体固定于整个毛细管内壁，缺乏空间分隔和局部信号放大能力。为此，研究人员开发了LabCap平台，利用可重构停止流动光刻系统在玻璃毛细管内嵌入光图案化水凝胶环，在无外部仪器、无油相条件下形成纳升级隔离反应隔室，用于放大生物检测。
研究内容与结论：研究人员采用3D打印同心微流控装置连接可拆卸玻璃毛细管，以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和惰性聚乙二醇（PEG）构建同轴流，停止流动后通过光掩模紫外曝光选择性交联，形成共价锚定于毛细管内壁的水凝胶环；利用链霉亲和素-生物素化学固定捕获抗体。样品溶液经毛细作用加载，卸载多余液体时，后退接触线在水凝胶环边界钉扎并发生毛细失稳，残留液体回缩为纳升级环形液滴（torodrops）。随后在该隔室内完成夹心免疫复合物组装，通过辣根过氧化物酶（HRP）/10-乙酰基-3,7-二羟基吩恶嗪（ADHP）或β-半乳糖苷酶（β-gal）/荧光素二-β-D-吡喃葡萄糖苷（FDG）酶促放大产生局部荧光信号。结果证明LabCap可实现C反应蛋白（CRP）和N末端前B型利钠肽（NT-proBNP）的灵敏检测，且检测性能可通过孵育策略调节。研究未使用临床样本队列，采用缓冲液中的重组蛋白进行概念验证。
主要技术方法：研究采用可重构停止流动光刻系统，由3D打印同心微流控装置、可拆卸玻璃毛细管和光掩模组成；以3-(三甲氧基硅基)丙基甲基丙烯酸酯（TMSPMA）硅烷化玻璃表面，实现PEGDA水凝胶共价锚定；通过同轴层流与图案化紫外曝光制备环形水凝胶；利用毛细作用驱动溶液加载/卸载自发形成torodrops；采用两相流相场模型进行数值模拟；以链霉亲和素-生物素亲和功能化；使用夹心ELISA结合HRP/ADHP与β-gal/FDG酶促放大；通过荧光显微成像定量分析。
2.1 停止流动光刻在玻璃毛细管内嵌入水凝胶环：研究人员先用NaOH活化毛细管内壁并用TMSPMA硅烷化，引入可聚合甲基丙烯酸酯基团；随后在停止流动状态下以紫外光透过光掩模选择性交联PEGDA，形成共价锚定的环形水凝胶。该可重构装置支持单次约5 s的快速制造，单个装置材料成本低于�1。
2.2 利用毛细作用实现无仪器torodrop形成：溶液经毛细作用加载后，移除多余液体时，后退弯月面在水凝胶环边界处因拓扑突变和高度亲水表面而被钉扎，液桥拉伸后发生毛细失稳断裂，残液回缩为稳定锚定的环形微液滴。整个过程无需外部泵、主动流动控制或不混溶油相。
2.3 LabCap表征：基于二维轴对称两相流相场模型模拟发现，相邻水凝胶环间距D小于600 μm时残液连通，D增大至600 μm以上时可形成隔离torodrop；torodrop体积随水凝胶环内径r增大而线性减小，模拟、图像几何估算和称重法均显示一致趋势。不同PEG与PEGDA流量比下，水凝胶环面积归一化范围为0.86至1，六批次间面积和厚度变异分别仅2.9%和2.8%；torodrop形成后1 h内，毛细管中央区域的水凝胶环荧光强度稳定，变异系数为7.3%，蒸发效应主要局限于毛细管两端。
2.4 亲和试验：链霉亲和素-Alexa Fluor 555（SA-AF555）与生物素化水凝胶环的结合主要发生在朝向管腔的环表面，呈扩散限制特征；结合信号在约300 nM时达到平台，非生物素化对照信号显著较低。洗涤优化显示10次洗涤后达到稳定基线。三种孵育策略比较中，周期性介质交换可在短时间内显著加速结合：100 nM SA-AF555下7次交换（8 min）接近30 min连续流信号；50 nM下9次交换达连续流信号的96.4%；10 nM下19次交换达88%，而30 min静态孵育仅分别达连续流信号的约55.5%和35.4%，说明低浓度下静态孵育受耗尽限制。
2.5 酶促放大试验：HRP/ADHP系统在SA-HRP浓度1–1000 pM范围内呈现浓度依赖性荧光增强，β-gal/FDG系统在SA-β-gal浓度0.1–100 pM范围内呈现类似响应。非生物素化阴性对照荧光较弱，信噪比在约10 pM时最高，表明非特异性吸附低。
2.6 生物标志物检测：以夹心ELISA检测CRP和NT-proBNP。采用16 min周期性介质交换和60 min放大，在0–1 ng mL
?1线性范围内计算的检测限分别为CRP 1.3 ng mL
?1和NT-proBNP 1.8 ng mL
?1；采用1 h静态孵育后，两种标志物的计算检测限均为0.5 ng mL
?1；匹配16 min静态孵育可使CRP计算检测限降至0.14 ng mL
?1。研究人员发现，分析性能受孵育时间、溶液更新、背景信号和实验变异的共同影响，周期性介质交换提高绝对荧光响应但未必降低计算检测限。LabCap每步试剂消耗低于100 μL，洗涤缓冲液仅1 mL。预功能化LabCap在1% BSA、4 °C储存一周后，在1 μg mL
?1 CRP处保持新鲜装置约99.2%的荧光响应，计算检测限为10.8 ng mL
?1，检测能力大部分保留；预功能化使宽浓度范围CRP检测的终端操作时间从超过4 h缩短至30 min以内。
讨论与结论：讨论部分指出，孵育方式影响传质和结合动力学：周期性介质交换可作为无仪器条件下增强分子输运的手段，但空白信号和毛细管间变异会抵消部分灵敏度优势；静态孵育虽耗时更长，但在匹配时间下可提供更低计算检测限。结论翻译：研究人员开发了由可重构停止流动光刻系统制备的功能化水凝胶环LabCap平台。LabCap在加载和卸载水溶液时可自发形成纳升级反应隔室，整个隔室形成过程无需外部仪器和不相容油相，为生物分子检测提供了简单而高效的环境。以CRP和NT-proBNP为模型生物标志物，研究人员证明LabCap支持不同孵育条件下的蛋白检测，并可通过选择孵育策略调节检测性能。周期性介质交换可实现快速检测操作，而静态孵育在匹配（16 min）和延长（1 h）孵育时间下均给出更低计算检测限。额外的匹配时间实验进一步表明，分析性能反映孵育时间、溶液更新、背景信号和实验变异的综合作用。此外，LabCap具有制造成本低（单个装置<�1）、试剂消耗少（每步<100 μL）、洗涤缓冲液用量少（≤1 mL）以及储存一周后性能稳定等实用优势，是一种通用且易获取的分隔化生物标志物检测平台。
