具有這類作為即時檢測設備的診斷係統對許多疾病(特別是創傷性腦損傷)至關重要。在一項新的研究中，來自美國賓夕法尼亞大學的研究人員開發出一種使用現成組件並能夠在幾分鍾內檢測單個蛋白質的測試方法，而傳統的工作流程可能需要數天時間。相關研究結果發表在2019年3月5日的PNAS期刊上，論文標題為“Mobile platform for rapid sub–picogram-per-milliliter, multiplexed, digital droplet detection of proteins”。論文通訊作者為賓夕法尼亞大學生物工程係助理教授David Issadore。論文第一作者為賓夕法尼亞大學生物工程係研究生Venkata R. Yelleswarapu。

通過使用標準的手機攝像頭和一組頻閃LED燈，再結合實驗室所用的微流體液滴發生器，Issadore及其團隊開發出一種比標準蛋白測試方法靈敏一千倍的係統，這種係統是手持式的，而且比當前首次推入市場的最先進的蛋白質測試方法便宜得多。

作為標準的蛋白質檢測方法，酶聯免疫吸附測定(ELISA)涉及將抗體附著到感興趣的蛋白質上，隨後測量在與這些抗體連接在一起的酶的作用下，樣品發生的顏色變化。這個過程快速而簡單，足以整合到即時檢測設備中，比如家庭HIV測試，但是僅當蛋白質濃度很高時才能起作用。

目前很少有創傷性腦損傷的生物標誌物，這是因為這種損傷的蛋白質標誌物很少能夠通過血腦屏障。醫學人員最近才證實任何此類標誌物都可用於血液測試，並且鑒於它們的超低濃度，這類測試需要比標準的ELISA陣列靈敏得多。

Issadore說，“敏感度要高出一千倍，我們的意思是如果我們有一小瓶僅有少量相關蛋白質的血液，那麼我就能夠準確地確定這些蛋白質的數量，然而，傳統的測試方法無法可靠地區分這小瓶血液和裏麵沒有這些蛋白的血液。當人們不斷地增加這些蛋白質的數量時，傳統的測試方法將最終能夠檢測它們，但是相比而言，我們能夠在濃度低一千倍的情形下定量檢測它們的數量。”

Issadore的方法是每次測量一種蛋白質，將樣品分解成微液滴(microdroplet)，每個微液滴要麼含有單個蛋白質，要麼根本不含有。他的實驗室在微流體技術方麵的專業知識已製造出經蝕刻後具有數百個微液滴發生器的微芯片，其中所有的這些微液滴發生器是都並行工作的。

Issadore說，“通常情況下，你必須非常準確地測量樣品發生顏色變化或發出熒光，但是在這項新的研究中，我們將它變成了數千萬個是或否的問題。將這個問題數字化降低了攝像頭和周圍流體處理設備的成本，但是會將這個問題以一種可重複的、準確的、便宜的和便攜的方式轉化為如何處理這數千萬個是或否的問題。”

雖然現成的攝像頭可以檢測微液滴是否含有熒光標記物結合的蛋白質，但最大的挑戰是加快這一過程。現有的數字液滴檢測器將這些微液滴排成一行，這樣就以一次一個微液滴的方式測量它們。這樣的係統是準確的，但體積大且昂貴。它們也具有有限的通量，這是因為以一次一個微液滴的方式需要觀察數百萬個微液滴。

Yelleswarapu說，“如果需要測量5000萬個微液滴，那麼按照常規技術的通量，一秒測1000個微液滴仍然是相當慢的。”

這些研究人員讓這些微液滴流進數百個允許攝像頭同時經過的通道而不是一個通道中。然而，麵臨的瓶頸是攝像頭如何能夠快速地捕獲這些數據。

Yelleswarapu說，“通常而言，這不會起作用，這是因為在從普通攝像頭的曝光時間內來自兩個彼此相鄰的微液滴的信號會重疊。手機攝像頭每秒拍攝大約一百張圖片，這對於我們解決這些微液滴來說太慢了。但是如果你用來照亮微液滴閃光燈的光源比手機攝像頭的幀頻快一千倍，那麼你就能夠使用這種手機攝像頭。”

讓Issadore團隊的方法發揮作用的技巧是用一種信號對微液滴閃光燈進行編碼，這種信號可以讓彼此相鄰的微液滴分離開來。

Issadore說，“通過一種借鑒雷達的技術，我們以一種非常特殊的從不重複的模式對光線進行選擇。當這些信號穿過屏幕時，它們會印上這個條形碼。因此即便它們彼此重疊，我們也能夠通過哪個選通脈衝照亮每個微液滴來區分它們。”

Issadore團隊之前已發表過關於創傷性腦損傷標誌物的文章，並且正在與長老會醫院(Presbyterian Hospital)一起研究腦損傷患者。他們還在成立了一家衍生公司Chip Diagnostics，旨在為早期癌症診斷和創傷性腦損傷開發檢測試劑盒。