微流控有機分析儀平臺根據(jù)從飛行中吸取的經(jīng)驗教訓進行升級

微流控技術(shù)對于航天飛行來說是一項重大技術(shù)創(chuàng)新，因為它能夠操縱微升到納升尺度的流體，并以很小的物理尺寸可靠地進行高靈敏度的化學和生物分析。微流控平臺在尋找地外生命的有機生物特征方面尤其具有吸引力。例如，已有相關(guān)研究詳細分析了在土衛(wèi)二和木衛(wèi)二上采集冰樣本并對其進行微流控分析以獲取生物特征的可行性。此外，微流控生物分析系統(tǒng)在機組人員的健康監(jiān)測方面也很有價值。然而，雖然相關(guān)研究已經(jīng)開發(fā)出了強大的原型微流控儀器并進行了實驗室測試，但是用于原位空間探索的緊湊、節(jié)能和可重構(gòu)微流控平臺的重力靈敏度尚未得到檢驗。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了解決以上問題，來自美國猶他大學（University of Utah）和加州大學伯克利分校（University of California Berkeley）的研究人員開發(fā)了一種微流控有機分析儀（MOA）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由直接集成玻璃微通道和激光誘導熒光（LIF）檢測系統(tǒng)的可編程微閥陣列（PMA）組成。該可編程微閥陣列是完全可尋址的氣動微流控閥陣列，由于其可編程性，該微閥陣列可以執(zhí)行幾乎無限種類的樣品制備和操作步驟。

類似于傳統(tǒng)的邏輯電路，氣動控制的微閥可以切換狀態(tài)，從而構(gòu)成一個處理器。當特定的微閥處于真空環(huán)境下時，微閥內(nèi)的膜向上偏轉(zhuǎn)，從而打開閥門并將液體拉入其流體室。當氣動狀態(tài)切換到壓力狀態(tài)時，腔內(nèi)的液體沿著由周圍微閥的狀態(tài)決定的路徑被推出。此外，樣品可以被自動標記、孵育和操作，并遞送到集成的毛細管電泳（μCE）芯片中，然后用激光誘導熒光（LIF）系統(tǒng)進行檢測。相關(guān)研究成果以“Operation of a programmable microfluidic organic analyzer under microgravity conditions simulating space flight environments”為題，發(fā)表在npj Microgravity期刊上。

圖1 用于微流控有機分析儀（MOA）飛行測試的設(shè)備，由可編程微閥陣列-毛細管電泳（PMA-μCE）芯片、操作硬件和傳感器組件組成

圖2 可編程微閥陣列-毛細管電泳（PMA-μCE）芯片組件

圖3 在微重力飛行中進行的每個實驗的流體流動路徑

以往，微流控有機分析儀的應(yīng)用主要關(guān)注的是氨基酸、醛類、酮類和羧酸的熒光標記性能，以及高分辨率毛細管電泳分離和納摩爾到皮摩爾濃度范圍的被標記物的檢測。而近期，研究重心則轉(zhuǎn)移到了技術(shù)就緒水平（TRL）的飛行模式儀器系統(tǒng)的開發(fā)上，該系統(tǒng)具有適合太空飛行的配置和制造。然而，雖然研究人員已經(jīng)對該系統(tǒng)進行了初步的熱、真空和振動測試，但在地面環(huán)境中進行零重力測試更具挑戰(zhàn)性。

為了在零重力拋物線飛行中測試微流控有機分析儀（主要是它的可編程微閥陣列和激光誘導熒光系統(tǒng)），以確定其在失重和超重條件下的性能靈敏度，該研究進行了五次微重力飛行，并展示了其中前兩次飛行的結(jié)果。

圖4 飛行過程中的測試環(huán)境參數(shù)以及可編程微閥陣列的性能表征

研究結(jié)果表明，隨著重力的減小，該可編程微閥陣列芯片的泵送性能保持不變，但當重力增加到測試條件下的2g水平時，該可編程微閥陣列芯片的泵送性能會有所下降。這種性能的下降可能是由于測量誤差和由流量測量設(shè)備位置引起的微小的流體靜力學效應(yīng)引起的，而不是由可編程微閥陣列芯片本身的功能退化導致的。此外，微流控有機分析儀平臺的混合、計量和檢測能力不受重力條件的影響，呈現(xiàn)較強的線性趨勢，并且不同重力條件下制備的樣品之間的濃度差異約為10%。這種差異與在各種濃度（~16 nM）下人工制備的樣品所觀察到的誤差相當。以上兩方面結(jié)果的結(jié)合顯示了該微流控有機分析儀在地外化學和生化分析應(yīng)用中的潛力。微流控對重力場的不敏感也證明了在實驗室環(huán)境中初步開發(fā)微流控儀器以最終用于空間部署是合理的。

更重要的是，在這次首次飛行活動中吸取的經(jīng)驗教訓將通過設(shè)備和方案的改進對未來的微重力飛行和實驗產(chǎn)生影響。在即將到來的微重力飛行中，研究人員計劃對微流控有機分析儀在太空探索中的兩種不同的應(yīng)用進行測試。這種測試研究將利用毛細管電泳在微重力/超重力循環(huán)期間進行，這是一種模擬在現(xiàn)場分析樣品以尋找地外生命的方法。其次，研究人員將通過在微重力環(huán)境下對相關(guān)宇航員生物標志物進行模擬臨床分析，來演示微流控有機分析儀系統(tǒng)作為機組人員健康監(jiān)測平臺的性能。

目前，該微流控有機分析儀平臺正在根據(jù)從飛行中吸取的經(jīng)驗教訓進行升級，包括利用LED指示器以監(jiān)測實驗狀態(tài)、增加用于毛細管電泳的高壓電路，以及更改當前布局以提高可用性，以便它可以作為未來微重力實驗和其他實地工作的強大和可靠的平臺。
責任編輯：彭菁