數(shù)字微流控儀器的廣泛應(yīng)用

在經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，數(shù)字微流控技術(shù)逐漸成熟，理論也逐漸完善，近幾年國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出諸多商品化產(chǎn)品，將數(shù)字微流控技術(shù)推向市場(chǎng)。盡管數(shù)字微流控技術(shù)逐漸成熟，但該技術(shù)仍存在加工成本高、技術(shù)要求高、儀器開(kāi)發(fā)難度大等諸多問(wèn)題待解決，這也大大限制了該技術(shù)的普及。

目前仍然有許多科研工作者致力于解決這些問(wèn)題，帶領(lǐng)數(shù)字微流控技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)人們的日常生活，實(shí)現(xiàn)在即時(shí)檢測(cè)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生化分析等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1、ePlex平臺(tái)

ePlex是美國(guó)GenMark公司研發(fā)的一種數(shù)字微流控平臺(tái)，它具備高度的自動(dòng)化特性，是目前市場(chǎng)上唯一一個(gè)從采樣到應(yīng)答的工作流系統(tǒng)。ePlex秉承著為患者設(shè)計(jì)，為實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化的理念，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和集成化。

ePlex根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療系統(tǒng)的多樣化和不斷變化的需求，結(jié)合客戶反饋、自由定制和直觀的用戶界面，旨在開(kāi)發(fā)一種更為高效和人性化的軟件。為滿足大多數(shù)機(jī)構(gòu)的需求，ePlex系統(tǒng)提供了模塊化和可伸縮的設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的路徑增加容量。

目前ePlex擁有5種不同的儀器配置，測(cè)試通道最多可達(dá)到24個(gè)，其中ePlex NP每次可同時(shí)測(cè)試12個(gè)患者樣本，而ePlex4的配置超過(guò)了世界上任何一個(gè)從采樣到應(yīng)答平臺(tái)。

到目前為止，ePlex一共更新過(guò)4次，每個(gè)版本都做出了重大的改進(jìn)并引入了更多的增強(qiáng)功能，旨在提高每一個(gè)環(huán)節(jié)的效率。

ePlex4提供了許多新功能，有助于提高以患者為中心的醫(yī)療服務(wù)效率，其具備24個(gè)通道，每天可檢測(cè)288個(gè)患者樣本，可自動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，檢測(cè)速度較ePlex1提高了4倍。

GenMark公司主要有呼吸道病毒檢測(cè)芯片、HCVg直接檢測(cè)、囊性纖維化基因分型、血栓形成傾向風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試、華法林阻凝劑敏感性測(cè)試等。

其中，GenMark eSensor技術(shù)是基于競(jìng)爭(zhēng)DNA雜交和電化學(xué)檢測(cè)原理。其對(duì)目標(biāo)生物標(biāo)志物具有很高的特異性，并不基于熒光或光學(xué)檢測(cè)。因此，診斷測(cè)試不太容易出現(xiàn)樣本污染風(fēng)險(xiǎn)，也不需要耗時(shí)的清洗和準(zhǔn)備步驟。

2、OpenDrop平臺(tái)

OpenDrop是由一個(gè)開(kāi)放研究團(tuán)隊(duì)Gaudi團(tuán)隊(duì)研發(fā)的數(shù)字微流控平臺(tái)，首次在2017年微流控年會(huì)上展示。該平臺(tái)利用介電潤(rùn)濕的原理控制微小液滴的運(yùn)動(dòng)，在芯片上實(shí)現(xiàn)小體積反應(yīng)，可應(yīng)用于芯片實(shí)驗(yàn)室中的數(shù)字生物自動(dòng)化過(guò)程。同樣作為一種開(kāi)放性的平臺(tái)，OpenDrop支持操作硬件所需的所有設(shè)計(jì)文件和軟件都在開(kāi)放許可下共享。

為了降低其他實(shí)驗(yàn)室對(duì)數(shù)字微流控的研究門(mén)檻和成本，該團(tuán)隊(duì)秉持著DIY模式和低成本的理念，盡可能使用市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)化組件、材料和生產(chǎn)過(guò)程，將設(shè)備運(yùn)行的成本最小化，以避免個(gè)別客戶無(wú)法使用部件或需要支付昂貴的安裝費(fèi)用。

Gaudi團(tuán)隊(duì)最早是從印刷電路板上的電潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)開(kāi)始研究數(shù)字微流控平臺(tái)，通過(guò)Arduino UNO控制晶體管對(duì)電極供電。經(jīng)過(guò)短短兩三年的時(shí)間，Gaudi團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在數(shù)字微流控儀器構(gòu)建上取得了重大進(jìn)展。到目前為止，OpenDrop平臺(tái)已經(jīng)更新到第四代。

第一代是以印刷電路板作為電極層，通過(guò)可伸縮的電子控制和簡(jiǎn)單的涂布方法，實(shí)現(xiàn)了DIY模式和低成本理念。

第二代采用兩倍電壓驅(qū)動(dòng)芯片HV507，并擴(kuò)大了電極陣列，從原來(lái)的8×8電極陣列擴(kuò)大到16×8電極陣列，每個(gè)電極2.75mm。此外還增加了液體進(jìn)樣口、LED顯示屏、電壓控制讀取模塊以及wifi模式。

第三代是OpenDrop V3，相比于前兩代，第三代OpenDrop做出了重大的改進(jìn)，具有許多新的特性。首先在電極方面，OpenDrop V3采用鍍金的電極陣列，將14x8電極陣列和4個(gè)儲(chǔ)液槽集成到印刷電路板上，液滴可以停留在涂覆了疏水材料的薄膜上；在液滴驅(qū)動(dòng)方面，該設(shè)備通過(guò)USB-C到USB-A電纜供電，運(yùn)用軟件設(shè)置驅(qū)動(dòng)電壓，可高達(dá)300V，支持交流和直流電壓兩種模式；OpenDrop V3運(yùn)用32位AVR SAMD21G18微處理器，擁有充足的內(nèi)存和電源；增加了多音音頻放大器和揚(yáng)聲器。

OpenDrop V4是OpenDrop平臺(tái)的最新版本，在第三代的基礎(chǔ)上，芯片卡盒做了較大的改進(jìn)。主機(jī)上設(shè)置有卡槽，將組裝好的芯片卡盒嵌入進(jìn)開(kāi)放式或“無(wú)頂式”電潤(rùn)濕儀器中，即可開(kāi)展設(shè)備演示，更適用于研討會(huì)，教學(xué)和技術(shù)演示。

利用介電潤(rùn)濕效應(yīng)來(lái)移動(dòng)液滴的關(guān)鍵是擁有一個(gè)超疏水性良好的滑動(dòng)表面，市場(chǎng)上有不同的電潤(rùn)濕涂層材料，如氟化聚合物、特氟龍等，這些都是非晶型氟聚物，可通過(guò)自旋涂層或浸漬涂層沉積。

Gaudi團(tuán)隊(duì)最早只是使用了聚乙烯(polyethylene, PE)和廚房錫紙材料作為疏水材料，再在上面涂布Rain-X—一種用于擋風(fēng)玻璃的商用防雨劑。后來(lái)他們發(fā)現(xiàn)在簡(jiǎn)單的無(wú)上極板體系中利用保鮮膜和硅油組合作為疏水層是一個(gè)更好的選擇。之后為了適應(yīng)有上極板的體系，他們開(kāi)發(fā)了更先進(jìn)的解決方案，即使用聚四氟乙烯箔和氟化聚合物作為疏水材料。

3、DBS數(shù)字微流控平臺(tái)

2010年成立的上海衡芯生物科技有限公司（簡(jiǎn)稱“衡芯生物”），是我國(guó)家專注于開(kāi)發(fā)數(shù)字微流控芯片、儀器及其應(yīng)用的高新生物科技公司，在數(shù)字化微流控技術(shù)方面已經(jīng)獲得多項(xiàng)國(guó)際專利。自成立起至2013年，該公司依次完成了以硅為基底的微流控芯片和玻璃芯片的研發(fā)，并于2014年在中國(guó)、美國(guó)、歐盟、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家或地區(qū)獲得雙電極結(jié)構(gòu)芯片的授權(quán)。2015年，衡芯生物完成了與羅氏診斷的合作，實(shí)現(xiàn)了衡芯產(chǎn)品在手足口病、肺結(jié)核、乙肝等傳染病檢測(cè)中的應(yīng)用。

該公司針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)的需求對(duì)芯片進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，為方便控制溫度及光學(xué)測(cè)量，他們采用玻璃基底和透明電極；為實(shí)現(xiàn)微量樣品的檢測(cè)，他們?cè)O(shè)計(jì)的上板有玻璃和塑料兩種形式，并且設(shè)有進(jìn)樣和取樣孔。目前，衡芯生物生產(chǎn)的數(shù)字微流控設(shè)備主要有以下三種。

(1)基于數(shù)字微流控技術(shù)的定量PCR(polymerase chain reaction, 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))儀一DBS-qPCR HT。作為一種高靈敏度的分子檢測(cè)方法，定量PCR在生命科學(xué)研究、臨床醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，包括傳染病的診斷與療效評(píng)估，腫瘤標(biāo)志物及其基因檢測(cè)，優(yōu)生優(yōu)育檢測(cè)，遺傳基因檢測(cè)，食品過(guò)敏源、轉(zhuǎn)基因檢測(cè)，動(dòng)物疾病檢測(cè)，法醫(yī)鑒定，衛(wèi)生檢驗(yàn)檢疫等。

他們?cè)谛酒牟煌瑓^(qū)域設(shè)置PCR所需溫度，通過(guò)移動(dòng)液滴的方法對(duì)其進(jìn)行PCR，并可實(shí)現(xiàn)16個(gè)樣本同時(shí)熒光檢測(cè)。DBS-qPCR HT的反應(yīng)體積范圍大，在2~15uL，可用于體積要求較大的傳染病樣本檢測(cè)，又可用于對(duì)試劑成本較高或起始量較小的樣本檢測(cè)，在小體積時(shí)最快在15min之內(nèi)可完成40個(gè)PCR循環(huán)，具備高速、高效的特點(diǎn)。

(2)基于數(shù)字微流控技術(shù)的高通量測(cè)序自動(dòng)建庫(kù)儀—DBS-LibPrep，這是個(gè)適用于Illumina測(cè)序平臺(tái)的文庫(kù)制備系統(tǒng)，用戶只需完成加樣和加試劑的操作剩下的諸如酶切、末端修復(fù)、加腺嘌吟核苷酸尾、加連接頭、PCR以及磁珠清洗等過(guò)程均可由儀器自動(dòng)完成。相比于傳統(tǒng)的建庫(kù)方法，DBS-LibPrep最多可節(jié)省95%的試劑用量。它操作簡(jiǎn)便，只需要一次性加樣和一鍵操作，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4個(gè)文庫(kù)的制備，制備好的文庫(kù)可直接用于上機(jī)測(cè)序。

(3)基于數(shù)字微流控技術(shù)的熒光定量PCR儀一DBS-3000mini，是上海衡芯生物科技有限公司專門(mén)為基于液體工作站文庫(kù)構(gòu)建而設(shè)計(jì)的，集DNA擴(kuò)增和定量于一體。DBS-3000mini有16個(gè)獨(dú)立控制的反應(yīng)通道，在擴(kuò)增DNA的同時(shí)對(duì)樣本的熒光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，當(dāng)樣本的熒光強(qiáng)度達(dá)到閾值時(shí)，可以停止對(duì)該樣本的溫度循環(huán)，而其他樣本的擴(kuò)增可以繼續(xù)進(jìn)行。

這樣不管起始濃度差，建庫(kù)結(jié)束后16個(gè)樣本的濃度量級(jí)相當(dāng)，保證了擴(kuò)增后16個(gè)樣本的均一性，從而提高了測(cè)序的質(zhì)量。這臺(tái)儀器可單獨(dú)作為定量PCR儀或液體工作站的插件使用，在二代測(cè)序樣本建庫(kù)時(shí)，可對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行獨(dú)立的PCR熒光監(jiān)測(cè)與控制。

另外，該公司可提供數(shù)字微流控產(chǎn)品定制，自由選擇功能模塊，包括1~5個(gè)芯片溫控模塊(4~100℃)，對(duì)芯片實(shí)現(xiàn)區(qū)域控溫、1~4個(gè)波長(zhǎng)光激發(fā)，在芯片上可同時(shí)對(duì)16個(gè)液滴進(jìn)行光激發(fā)和檢測(cè)、芯片上的磁珠控制，用于對(duì)DNA或抗原的捕獲、清洗和洗脫?？蓪?shí)現(xiàn)多種功能：①極速實(shí)時(shí)熒光定量PCR;②高通量恒溫?zé)晒舛繖z測(cè)；③核酸樣本預(yù)處理；④免疫熒光檢測(cè)；⑤化學(xué)發(fā)光檢測(cè)；⑥細(xì)胞分選；⑦基于CRISPR的核酸檢測(cè)。

4、Digifludic平臺(tái)

迪奇孚瑞生物科技有限公司成立于2018年，主要以數(shù)字微流控技術(shù)為核心，以自動(dòng)化核酸分析系統(tǒng)為主要產(chǎn)品，致力于開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)自動(dòng)化體外診斷設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療疾病診斷、動(dòng)植物病害檢測(cè)、健康指標(biāo)檢測(cè)、進(jìn)出口檢驗(yàn)檢疫、食品安全檢測(cè)等。該公司應(yīng)用的微流控技術(shù)來(lái)源于澳門(mén)大學(xué)的研究成果，在微型芯片上的液滴可以作為載體，承載各種化學(xué)生物反應(yīng)試劑、細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA和RNA等，使其可以被移動(dòng)、分樣、融合和控溫，繼而能夠自動(dòng)完成各種相關(guān)的測(cè)試反應(yīng)。

迪奇孚瑞生物科技有限公司主要的芯片有傳染病檢測(cè)芯片、健康指標(biāo)檢測(cè)芯片、動(dòng)植物病害檢測(cè)芯片，以及蝦類水產(chǎn)病毒病害檢測(cè)芯片。這里主要介紹傳染病檢測(cè)芯片和動(dòng)植物病害檢測(cè)芯片。

這兩種芯片的外觀基本一致，并且同時(shí)都可以為12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試，一次可加樣多個(gè)指標(biāo)。傳統(tǒng)的PCR流程在實(shí)際的操作中，需要進(jìn)行樣品制備、核酸提取、純化、擴(kuò)增、與標(biāo)志物雜交等步驟，最后才能進(jìn)行檢測(cè)，這個(gè)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、易污染、對(duì)操作人員和場(chǎng)地有較高的要求。而他們的芯片具有小型化、集成化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，一次可加樣預(yù)存多個(gè)指標(biāo)，在很大程度上解決了上述問(wèn)題，省時(shí)省力，降低污染。

針對(duì)傳染病患者，他們可將多達(dá)12種的致病病原體試劑預(yù)存在芯片上，可一次檢測(cè)出具體是哪種病原體致病，從而讓患者接受更有針對(duì)性的治療。這一過(guò)程耗時(shí)短，可以避免因未及時(shí)治療而導(dǎo)致的病情惡化，也為患者提供便利，在家中便可以檢測(cè)。而對(duì)于養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)業(yè)主十分友好，檢測(cè)時(shí)間只需30~60min，方便業(yè)主實(shí)時(shí)掌握質(zhì)量數(shù)據(jù)。

審核編輯：劉清