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液滴微流体:从概念验证到实际应用?

来源:本站原创 2019-08-16 11:30

2019年8月16日讯 /生物谷BIOON /——液滴微流体技术构成了一个多样化的实用工具集,使化学和生物实验能够在高速和高效率的情况下完成。事实上,近年来,基于液滴的微流控工具在材料合成、单细胞分析、RNA测序、小分子筛选、体外诊断组织工程等方面都取得了良好的应用效果。

来自苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich)的Andrew J. deMello课题组曾于2011年在《Chemical Communications》上发表了一篇综述文章探讨了液滴微流体技术问世后第一个十年的发展,重点放在"出现"阶段的技术,强调建立功能组件(如液滴发生器、合并器、分离器和陷阱),通往可控制分隔的路径,以及应用简单的生物和化学问题。近日,他们再次在《Chemical Communications》上发表了综述文章,阐述了此后8年间液滴微流体技术的发展,重点介绍了液滴操作和检测方法的创新,更重要的是,基于液滴的微流体技术在实现新科学方面产生了最大的影响,该文章题为"Droplet microfluidics: from proof-of-concept to real-world utility?"。

图片来源:Chemical Communications

液滴微流体技术具有使用样品体积小、可以整合不同功能于一体、可以控制热量和质量传播等特点,随着技术的不断成熟还克服了困扰着连续流动(或单相)微流体系统的泰勒色散、表面-分子相互作用和混合缓慢等问题。此外还具有极高的液滴产生频率(高达数百千赫),能够以快速有效的方式控制液滴的有效载荷,并可获得亚毫秒级的混合时间,这为超高通量实验提供了技术支持。

近8年来液滴微流体技术主要在以下领域备受关注:包括液滴的操纵(包括混合、分裂、融合、共孵育、在注射、包封、筛选、分隔等)、小体积样品检测(包括荧光、拉曼光谱、红外光谱等的光学检测、包括电容式传感器、电势测定法、技术电流法等的电化学检测以及联用检测)。

此外,该技术为多个领域的发展带来了突破性进展,比如单细胞实验(包括直接、快速、大规模的孵育、检测、操纵和筛选细胞,单细胞RNA测序,蛋白表达和代谢组学分析等)、核酸检测和分析(以数码液滴PCR最出名,目前已经有相应的商业产品在分子生物学实验室广泛使用)、液滴编码(液滴编码测序已经成为编码技术领域的最新技术之一)、功能材料合成(基于其快速混合、对颗粒成核生长的高度控制的特点,在一系列纳米材料的合成和修饰中广泛使用)。

总结与展望

基于液滴的微流体平台现在通常包含大量功能部件,允许在一系列化学和生物系统上进行复杂的实验;在过去的八年里,人工智能(AI)作为一种革命性的工具出现在化学和生物科学领域,也为液滴微流体技术提供了机会,目前深度学习和强化学习算法已经在基于液滴的微流体系统中得到了很好的应用。基于液滴的微流体技术无疑是化学和生物科学领域一个重要的、健壮的、嵌入式的技术平台;尽管仍有许多潜力有待开发,但液滴微流体技术现在已经成为化学和生物研究中不可或缺的工具。

参考资料:


【2】A. J. DeMello et al, Droplet microfluidics: recent developments and future applications. Chemical Communications., 2011, 47, 1936-1942. DOI:10.1039/C0CC02474K
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