[发明专利]用于应用于高蛋白质含量液滴运输的数字微流体装置的表面活性剂添加剂

说明书

本文公开了具有16个环氧乙烷重复单元和18个环氧丙烷重复单元的乙二胺四(乙氧基化物‑嵌段‑丙氧基化物)四醇(以其商品名称为Tetronic 90R4)的表面活性剂添加剂，其用作液滴添加剂或用于涂覆DMF驱动电极表面，显著地改善了在数字微流体芯片上使用高蛋白质含量液体(例如，全血)的能力。该表面活性剂防止DMF电极表面的蛋白质吸附和淤积到迄今为止不可能的程度。具体地，该表面活性剂允许每个电极操作未稀释的全血液滴1小时以上(比任何已知添加剂好150倍以上)。处理高蛋白质含量培养基的这种改进将彻底改变在数字微流体平台上进行的基于血液的诊断。

技术领域

本公开涉及两亲性分子结构的用途，所述两亲性分子结构当作为添加剂包含在由数字微流体操作的液滴中时，防止蛋白质吸附到迄今为止不可能的程度。一种特殊的表面活性剂(乙二胺四(乙氧基化物-嵌段-丙氧基化物)四醇(称为Tetronic 90R4))允许每个电极操作未稀释的全血液滴1小时以上(比任何已知添加剂好150倍以上)。

背景技术

血液是从人体收集的最重要的临床样本，每年抽取数亿个管用于疾病诊断和治疗监测。¹临床诊断中一个长期存在的问题是血液蛋白在分析装置(诸如植入式传感器或体外诊断平台)表面上的非特异性吸附。²即使在去除血液中的细胞成分后，剩余的液体(即，血浆)也含有高浓度的蛋白质(>60g L^-1)，这可妨碍这些装置的性能。³因此，化学家和材料科学家已在抗蛋白质表面的开发方面付出了巨大的努力。^4,5这些材料通常包括亲水的、不带电的官能团[例如聚(环氧乙烷)(PEO)或磺基甜菜碱]，使得紧密结合的水分子层在表面形成，阻碍蛋白质的吸附。²然而，这些表面对于所有应用不是万能的，实际上，这些材料的亲水性使得它们与数字微流体(DMF)不相容，所述数字微液控是一种最近在临床诊断应用中已变得普及的流体处理技术。^6-8

在数字微流体(DMF)装置中，通过在绝缘驱动电极的通用(m x n)阵列上施加电势，以离散的皮升至微升尺寸的液滴的形式操作样品和试剂(图1a)。⁹DMF的通用几何和简单激励方案允许用户使用“编程”方法，调用一系列“功能”(包括液滴操作的各种组合：从储库计量、分离(splitting)、合并和混合)来实施测定方案(图1b)。DMF最通用和最流行的装置格式是双板配置，其中液滴被夹在两个平行的被电极图案化的基板之间(图1a)。通常，底板容纳由绝缘介电层(例如，Parylene C、氮化硅、PDMS或SU-8)覆盖的(任何导电材料的)驱动电极阵列。这些电极参考顶板中的连续接地电极，通常由铟锡氧化物(ITO)(一种光致透明导电材料)形成。隔片用于分隔顶板和底板，从而在它们之间形成固定的间隙。

DMF的一个关键要求是与液滴接触的表面必须涂有氟化疏水涂层(例如，来自DuPont的来自Asahi Glass的或来自Cytonix的)以在电极阵列上方移动期间最小化含水液滴所经受的摩擦。这种疏水层的要求使该装置易受蛋白质淤积。当将一滴含蛋白质的溶液置于装置上时，蛋白质开始淤积表面，使其亲水并因而(在足够的蛋白质分子吸附之后)不适合液滴移动。例如，DMF中含水牛血清白蛋白(BSA)的最大可移动浓度仅为0.005g L^-1；在浓度高于该水平时，蛋白质如此快速地吸附到覆盖驱动电极表面的介电层上，使得液滴变得不可能移动。^10,11这种限制使得DMF完全不适用于基于血液的临床诊断应用，其中样本含有至少60g L^-1蛋白质。

过去，已经开发了两种策略来克服蛋白质吸附在DMF装置上的挑战：(1)将液滴包封在非导电的、不混溶的液体中，或(2)将添加剂掺杂至含水液滴本身中。在方法(1)中，用低粘度流体(通常为硅油)填充装置；在该构型中(左，图1c)，液滴(其必须与填料不混溶)被膜包封，这防止液滴直接接触疏水表面。例如，通过使用这种方法，Srinivasan等¹²演示了长达40分钟的成功的全血操作，之后作者观察到该装置的性能下降。