《Sensors and Actuators A: Physical》：A one-dimensional microfluidic SDS–PAGE device with valve-controlled dual-gel interface for protein separation
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•开发了一种无紫外线的微流控SDS-PAGE平台，该平台采用阀门控制的双凝胶集成方式，能够在15分钟内快速分离蛋白质，覆盖15–250 kDa的宽广分子量范围，且仅需亚微升级别的样本体积。•适中的电场强度（约26 V/cm）可最小化焦耳加热，并确保持续稳定运行（温度<3
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开发了一种无紫外线的微流控SDS-PAGE平台，该平台采用阀门控制的双凝胶集成方式，能够在15分钟内快速分离蛋白质，覆盖15–250 kDa的宽广分子量范围，且仅需亚微升级别的样本体积。
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适中的电场强度（约26 V/cm）可最小化焦耳加热，并确保持续稳定运行（温度<33°C）。
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集成的基于树莓派的成像系统可实现实时可视化与半定量分析。
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该平台为未来即时检测（point-of-care）蛋白质分析提供了低成本且便携的解决方案。
引言
快速且低成本的蛋白质分离与检测微流控装置，是包括样本制备、富集、分离及下游传感在内的广泛生物分析和即时检测应用的基本要求[[1], [2], [3], [4]]。传统的蛋白质分离技术，如平板凝胶SDS-PAGE，通常依赖实验室规模的仪器，并消耗较大量的样本和试剂。相比之下，微流控平台能够实现高效的蛋白质分析，同时显著减少样本体积、试剂消耗和分析时间[5]。因此，人们对简单、一次性使用且低成本的微流控系统日益关注，这类系统能够在亚微升级别的样本体积下实现高效分离，并保持可靠且可控的传输行为[2,6,7]。微流控生物传感器的最新进展已实现低成本的便携式分析平台，可用于即时诊断，包括用于生化分析和体液中生物标志物监测的基于纸基的比色装置[8]。尽管这些系统具有诱人的传感能力，但许多蛋白质分析平台仍然需要复杂的制备工艺或庞大的仪器。因此，仍然需要一种简单且低成本的微流控装置，能够在保持便携性和可扩展性的同时实现高效的蛋白质分离。
在蛋白质分离与检测方面，已开发出多种基于电泳、电渗、介电泳及其他电动力学现象的微流控分离策略[[9], [10], [11], [12], [13], [14]]。许多此类平台采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）或玻璃基微通道，结合微加工电极，以实现电场的精确控制和分离性能的优化。虽然这些方法展示了较高的分离效率和通用性，但其制备通常需要洁净室工艺、多步对准或永久键合技术，从而提高了制备成本、时间和复杂性。其他研究利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）开发了用于蛋白质分离的微流控装置，并展示了良好的性能[15]。
利用微流控装置进行蛋白质分离最广泛使用的方法之一是电泳，例如微流控芯片毛细管电泳（CE）、微流控自由流电泳（μFFE）以及非天然等电聚焦（IEF）[14,[16], [17], [18], [19]]。
微通道中的蛋白质分离既可以通过集成分离凝胶实现，也可以采用无凝胶的配置，具体取决于所采用的分离机制。基于IEF的微流控系统利用两性电解质生成的pH梯度根据等电点分离蛋白质，不需要使用凝胶[18]。虽然IEF能够通过自调节的电动力学机制实现高分辨率聚焦，但它通常需要精确控制化学梯度，并且与标准蛋白质分析流程的兼容性较差。微流控自由流电泳（μFFE）是蛋白质组学领域具有巨大潜力的技术[14,20,21]。所提出的策略通过空间可控的样本进样实现了对流体扩散展宽的显著抑制，从而显著提高微自由流电泳的分离分辨率。然而，该方法依赖于精确的流体和进样控制，并可能引入额外的制备复杂性，同时残余扩散和流体相关效应仍可能影响分离性能。
相比之下，基于凝胶的策略已被广泛应用于各种用于蛋白质分离的微流控平台[22]。在这项工作中，发现二维（2D）微流控通道可以堆叠并分离蛋白质。在微流控系统的第一个维度（IEF）中，会施加pH梯度，通常由传统平板凝胶电泳中固定的pH梯度（IPG）生成。在微流控通道中集成凝胶有多种解决方案。在2D微流控蛋白质分离中，堆叠可以通过基于溶液与凝胶之间界面的机制实现[19,23]。尽管此类系统在分离速度和峰容量方面有所改进，但仍存在有限的转移效率（约~5%），同时在维度间耦合过程中会出现峰展宽，并依赖于标记。此外，微流控通道中的凝胶集成可以通过光固化交联聚丙烯酰胺凝胶实现芯片上的蛋白质分离[24]。
通过在微流控通道中采用紫外线诱导的交联聚丙烯酰胺凝胶光聚合来定义局部凝胶区域，可以实现SDS-PAGE的微缩化。该结构通过捏紧式进样结构实现样本的预堆叠。针对二维微流控通道架构，已开发出基于紫外线的凝胶制备策略，能够原位生成具有明确分离区域的交联聚丙烯酰胺凝胶[9]。在这些系统中，蛋白质堆叠在溶液—凝胶界面实现，此处电泳迁移率的突变和凝胶基质内扩散的降低会导致样本在分离前被压缩成窄带。然而，该方法需要基于紫外线的原位凝胶聚合，可能会增加制备复杂性并限制系统灵活性。因此，开发了诸如基于纸基的蛋白质分离芯片等替代方案[25]。该方法可以通过在单一通道中集成堆叠凝胶和分离凝胶来实现。这种基于纸基的开放微流控结构能够实现高效的蛋白质分离和直接的下游免疫探针检测，同时减少样本消耗并简化系统集成。然而，基于纸基的微流控系统可能由于流体流动和电场分布控制有限而导致分离分辨率降低。
总之，2D微流控平台在即时检测应用中已显示出巨大的潜力；然而，要实现实际应用仍面临若干挑战。基于纸基的平台展现了很强的潜力，因为在单一通道中集成堆叠凝胶和分离凝胶可以提高转移效率并增强整体样本利用率。
为解决这些局限性，我们提出了一种低成本、快速原型制作的无紫外线微流控SDS-PAGE蛋白质分离平台，该平台基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和压敏胶（PSA）的多层制备策略。该方法引入了新型机械阀系统，以在微流控通道中形成不连续的凝胶。通过将传统的非连续双凝胶系统（4%堆叠凝胶和10%分离凝胶）直接集成到单一微通道中，所提出的一维SDS-PAGE平台在显著简化装置架构的同时保留了传统电泳的基本堆叠—分离机制。阀门控制的凝胶界面能够高效地实现芯片上的蛋白质堆叠和基于尺寸的分离，无需紫外线诱导的凝胶聚合或复杂的制备工艺。
为进一步探索未来即时检测应用的便携式成像可行性，该平台与基于树莓派相机模块和树莓派的紧凑型成像模块进行了集成。该嵌入式成像系统能够实现微通道内蛋白质迁移的实时可视化和记录。虽然自动化图像分析和诊断解释超出了本研究范围，但紧凑型嵌入式成像平台的使用为未来集成板载图像处理与决策支持功能奠定了基础。
章节摘要
方法
通常，在集成了凝胶基质的微流控通道中，蛋白质可以通过电泳传输被分离成不同的条带。如图1(A)所示，蛋白质分离过程需要在微流控通道中集成两种凝胶：堆叠凝胶和分离凝胶。当向微通道施加直流电压时，蛋白质会沿着通道轴向穿过凝胶迁移。堆叠凝胶首先将整个蛋白质样本浓缩成单一
制备
近年来，基于胶带的微流控作为一种用于低成本热塑性装置快速原型制作策略，因其简单性、通用性以及兼容多层集成的特点而备受关注。通过结合PMMA基底与压敏胶带，可以轻松实现复杂的微流控架构和流体控制功能，而无需传统的微光刻制备工艺，这使得该方法特别适用于便携式和资源受限的应用场景[30]。
该
蛋白质分离
在本实验中，使用了一种商用双色蛋白质阶梯样品（BZ0010R，BioBasic，加拿大）来评估所提出微流控装置的性能，并展示一维（1D）蛋白质分离平台的效率。在未来的工作中，所提出的装置将被应用于真实样本，如牛奶和血清，用于特定的分析应用。图5展示了所提出微流控SDS-PAGE平台的完整堆叠和分离过程。
结论
总之，我们开发了一种低成本、无紫外线的微流控SDS-PAGE平台，利用阀门控制的PMMA–PSA多层架构，将传统的非连续凝胶电泳简化为一维微通道。机械阀系统成功地在永久性封闭的通道中隔离了双凝胶界面（4%堆叠凝胶和10%分离凝胶），完全消除了紫外线光聚合和洁净室制备的需求。该平台展示了有效的
致谢
本研究由 越南国家大学亚洲研究中心（ARC） 资助，来源于CHEY高等研究院，项目编号 CA.25.01A。
Tuan Vu Quoc 于2007年和2014年分别从越南河内越南国家大学获得物理学学士学位和电子工程硕士学位。他于2021年在越南河内越南国家大学工程与技术大学完成工程学博士学位。他的研究集中在传感器开发，特别是流体传感器、微流控和低水平测量方面。Dr. Quoc 的工作涉及推动新型传感器技术
Tuan Vu Quoc|Tuan Le Quang|Chi Tran Nhu|Hanh Nguyen Van|Dai Nguyen Ngoc|Tung Bui Thanh
