微流控研发-强大的数字微流控技术及其应用

20世纪初,当数字化成为一种改进传统技术的手段时,人们万万没想到数字化也可以应用到生物医学领域,并对微流体控制产生巨大的影响。

微流控技术是一种精确操控微尺度流体的一门技术,其核心理念是将复杂的实验室功能集成于单个芯片上,实现分析系统的微型化与集成化。

传统的微流控芯片以微通道为主体,需要通过阀门、泵等外部元件对流体进行控制。这种芯片结构复杂,加工难度大,且容易产生通道堵塞和交叉污染。因此,近年来,寻找新的液滴操控方法已成为国际微流体领域的一个热点。

数字微流控技术(Digital microfluidics,简称DMF)是一种基于单个液滴的颠覆性技术,用于微流控系统的设计、整合和操作,它利用微升至纳升范围内的液滴精准操作来实现复杂的实验室分析。数字微流控技术的关键是对液流实现离散化。在这种基于液滴的微流控中,液滴充当单独的反应容器,通过特殊的介质上的电润湿现象(electro-wetting on dielectric  ,简称EWOD)来单独控制这些液滴,从而能够处理小体积试剂和样品、分离干扰物质并避免液滴内分析物的损失, 同时,它不依赖于微泵、微阀或微混合器,甚至不需要复杂的流体通道,具有结构简单、高封闭性,避免交叉污染、高度自动化的优点。

DMF通常与质谱、比色法、电化学分析和电化学发光等分析工具结合使用。在这项技术中,复杂的实验室程序可以通过一系列步骤组合或重复多次操作自动串联来实现。

数字微流控的优势

减少试剂和样本消耗

数字微流控技术可以实现微升甚至纳升级别液滴体积的精确控制,这种离散液滴的控制方式具有更强的灵活性,大大降低了试剂的消耗,提高了试剂和样本的利用率。

例如,诊断测试只需要从病人身上取50微升血液(大约一滴雨滴大小),即可进行多个测试,这对于新生儿来说意义重大。

√ 诊断速度快

DMF可以控制亚微升大小的液滴,从而实现快速反应。这些液滴在全自动系统中快速操作,快速出结果,提高了分析和检测的效率。

√ 并行执行多项测试

数字微流控技术可以进行自动化和程序化控制,液体的可编程控制允许在同一个芯片上同时进行多个分析,在一定程度上减少了人力的消耗和人为操作误差的影响,降低了对技术人员的要求。

√ 仪器成本低,占地面积小

数字微流控芯片的设计简单,成本低廉,芯片具有极强的可扩展性,为高通量分析提供了研究基础,因此由数字微流控驱动的测试平台不仅仅降低了试剂成本,对于芯片的设计和制造成本也有显著的减少。DMF仪器没有用于液体处理的机械泵或阀门,因此体积小,便于携带。

数字微流控应用

数字微流控系统由于其微液滴的生成和良好控制的离散分布,特别适用于液滴数字PCR。在低DNA浓度下,每一个微液滴包含少于或等于一条DNA链(有限稀释),因此在固定数量的PCR循环后,目标DNA序列被扩增,并且通过荧光检测并使用统计模型以产生目标序列的准确计数。

数字微流控芯片因对微量液体的精准操控能力,具有微消耗、高效率、高通量的优势,易于实现分析检测设备的微型化、集成化、自动化和便携化,这项技术将提供量化遗传和免疫生物标志物的机会,开发多功能,更复杂、更紧凑的POCT仪器来实现快速诊断疾病的目的。

数字微流控仪器还可以在芯片上进行酶分析和免疫分析。这项技术的另一大优势是能够与其他技术相结合,开发出更复杂的仪器,可以执行众多分析和读数。例如,研究人员将传统的液滴微流控平台与EWOD芯片相结合来增加可处理液滴的数量。他们利用液滴微流体的能力快速制造出许多液滴,然后将液流转移到EWOD平台上,分别对微反应器进行处理。

数字微流控具有广泛的通用性、实用性和灵活性,是用于诊断疾病的新兴技术,为保证测试的分析精度和准

确性,往往对通量和技术集成方面提出较高的要求,

以下优化方案,仅供同行参考:

● 对数字微流控系统的核心元件EWOD芯片的微加工工艺进行优化,并在内部设计和开发操作EWOD芯片的电子接口和软件程序。

● 根据理论验证进行灵敏度分析,研究由于液滴分配和分离等操作导致的液滴尺寸的变化。为减小这种变化,需要开发新的软件来优化易于控制的致动参数。

● 由于免疫分析需要对目标分析物进行分离和浓缩,基于基本的液滴活动包括 “混合、分离和反应”,可通过高效的磁珠提取方案来扩展其功能。

国内数字微流控发展

自从数字微流控系统问世以来,业界实现了相关理论和技术的发展和创新,并且在产业化进程上取得了长足进步,国际上众多基于该技术的公司都取得了商业上的成功,同时为新医疗时代带来了新的产业化热潮。然而在国内,尽管数字微流控科研发展迅速,但在产业应用上无法发挥其作用,在芯片加工、系统控制、检测方法、技术集成等方面缺乏核心能力,因此借助外部资源来创造高端产品,提高企业竞争力,从而抢占市场,这对于很多国内IVD公司来说是企业发展的有利契机。

从21世纪初期就开始研究和应用微流控技术的ITL集团,是一家涉及微流控技术创新与优化改进的研发型企业,是少数有能力结合微流控技术和即时诊断技术的IVD仪器设计开发公司之一。

我们在微流控领域拥有20多年的经验,经历了微流控技术的发展和更迭,对众多微流控芯片技术的使用有自己的独特见解和经验。ITL一直在自己的专属领域不断探索,同时关注相关领域的创新技术,实现从实验室走向产业化的全过程,力求将当下的数字微流控等先进的技术与生物化学,医学诊断和信息技术等相结合,优化仪器性能,创造将新技术转化为商业化产品的创新方法,助力国内IVD企业创造具有竞争力的,紧跟时代的即时诊断产品。

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