【人物与科研】华南理工大学附属广州市第一人民医院刘大渔研究员课题组：主动式液滴阵列微流控芯片系统用于现场快速诊断

导语

微流控芯片技术（Microfluidics）是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。微流控芯片技术的特点来自于微流体的特性和微加工工艺带来的结构复杂性。微尺度下流体的一系列特殊效应包括层流效应、表面张力及毛细效应、快速热传导效应和扩散效应等有利于精确流体控制和实现快速反应；微加工工艺具有加工小尺寸、高密度微结构的能力，便于实现各种操作单元的灵活组合与规模集成。因此，样品前处理、分离与分析、检测等实验流程得以在同一芯片上集成化和并行化，从而达到微型化、自动化、低消耗和高效率的目的。微流控芯片是实现体外诊断的有利技术平台，这表现在以下几个方面：1.应用场景拓展 传统的检验设备多为大型仪器，虽然在测试通量和稳定性上具有优势，但其使用局限于专业实验室。微流控芯片系统体积小巧、操作简单，完全可以在门急诊、基层医疗单位甚至床边进行检测，这极大地拓展了体外诊断的应用空间；2.分析效率的提高 集成化和并行化设计的微流控芯片系统，有能力在短时间内提供更为丰富的诊断信息，因而显著提升了分析效率；3.测试成本的下降 微流控芯片使用微反应体系，能够大幅降低试样消耗从而降低测试成本。近日，华南理工大学附属广州市第一人民医院检验医学研究室在微流控芯片现场诊断技术方面取得了新进展。（Chem. Commun.DOI：10.1039/C7CC09377B）

广州市第一人民医院检验医学研究室简介

广州市第一人民医院检验医学研究室成立于2008年。该研究团队工作于临床检验第一线，团队成员包括医学、化学、物理和工程背景。经历了十年的研究历程，课题组对于微流控体外诊断技术在临床检验医学中的应用价值逐步加深了理解。课题组的研究理念是针对临床检验中的痛点问题发展创新诊断技术，目前研究方向主要是基于微流控技术的现场快速诊断、病原微生物分析和以及肿瘤个体化精准诊断。

广州市第一人民医院检验医学研究室团队

实验室照片

实验室学术交流

课题组负责人刘大渔研究员简介

刘大渔，华南理工大学附属广州市第一人民医院研究员。1995年于大连医科大学取得医学学士学位，2001年于大连医科大学取得病理学硕士学位，2006年于中国科学院大学取得分析化学博士学位。1995-1998年工作于大连市中心医院任内科医师，2009年至今就职于广州市第一人民医院，其间于2011-2012年在香港科技大学机械工程系作为博士后研究员从事微分析系统研究。现为广州市第一人民医院检验医学研究室负责人兼检验科副主任，大连医科大学客座教授，华南理工大学及广州医科大学研究生导师。主持国家和地方级科研课题数十项，发表SCI收录研究论文40余篇，包括Analytical Chemistry, Chemical Communications, Lab on a Chip等，申请专利20余项，并参与编写了《微流控芯片实验室》一书。

前沿科研成果

用于现场快速多重复杂分析的主动式液滴阵列微流控系统

对于现场快速检测，微流控芯片最为吸引人之处在于该技术便于实现功能集成，这非常有利于在资源匮乏的条件下使用。微流控芯片的集成化操作是通过复杂的流体操控实现，包括流体地驱动和分隔。传统的解决方案是在芯片上集成一系列微泵和微阀，因而可以顺序地执行一系列流体操作。这种策略虽然具有极大的灵活性，但不可避免地造成了芯片尺寸增大和控制复杂性增加，这显然不利于现场分析应用。

近期发展的液滴技术是实现微分析的有利工具。相比较传统微流控分析使用的单相流体策略，液滴分析使用的是多相流体策略。借助于油包水型液滴的形成，可以实现液体的分隔和封闭。为了实现集成化分析，还需要一种液滴运输机制完成多个液滴功能的串联，于是主动式液滴微流控 （active droplet microfluidics）应运而生。遵循这种理念，课题组发展了一种用于现场快速多重复杂分析的主动式液滴阵列微流控系统，其设计理念是通过芯片相对磁、热、光作用区域的空间移位操作来完成分析所需的系列能量-质量输运过程，可以实现多重复杂分析的集成化和并行化（图1）。

图1 主动式液滴阵列微流控芯片的原理示意图。“T”, “M” , “O”分别代表温度、磁力和光学检测模块，1和0分别代表启动和非启动状态。通过芯片相对磁、热、光作用区域的空间移位操作来完成分析所需的系列能量-质量输运过程，实现多重复杂分析的集成化和并行化。

（来源：Chem. Commun.）

研究使用的微流控芯片上具有一系列平行的串联疏水微池，串联微池之间以狭缝连通。由于表面张力作用，含有试剂或样品的液滴被锚定于指定的微池。在磁力驱动下，磁珠可以在外部穿越狭缝和油-水界面，在液滴之间穿行。

图2 主动式液滴微流控芯片分析系统。(A) 微流控芯片分析系统实物图；(B) 主动式液滴微流控芯片分析系统结构示意图，系统内温度、磁力和光学检测模块协同作用完成芯片分析；(C) 主动式液滴微流控芯片分析系统的控制原理示意图；(D) 液滴微流控芯片实物图。

（来源：Chem. Commun.）

研究首先利用这种主动式液滴阵列微流控芯片技术展示了全集成方式的多重生殖道病原体RNA检测（图3）。芯片在加热区、磁场作用区和光学检测区切换，顺序完成细胞裂解/核酸捕获、磁珠洗涤、核酸洗脱和扩增/检测。芯片上的每一个串联液滴阵列可检测一种病原，因此平行的串联液滴阵列可以同步检测多种病原。研究以全集成方式实现了四种生殖道病原的同步检测，包括沙眼衣原体、解脲脲原体、生殖支原体和淋病奈瑟菌，整个分析过程在45 min内完成。

图3 液滴阵列微流控芯片上的四种生殖系统感染病原RNA分析。(A) 液滴芯片上试剂预装载；(B) 液滴芯片上的RNA分析流程；(C) NG, UU, CT和MG四种病原RNA扩增前 (i) 和扩增后 (ii) 液滴荧光情况；(D) NG, UU, CT和MG四种病原RNA的实时荧光定量曲线(n=3)；(E) NG, UU, CT和MG四种病原RNA实时荧光定量分析的Tt值 CV 值；(F) Tt值与病原载量相关性分析。

（来源：Chem. Commun.）

研究还利用这种主动式液滴阵列微流控芯片技术实现了多重免疫化学发光分析（图4）。与核酸分析类似，芯片在加热区、磁场作用区和光学检测区切换，顺序完成免疫亲和、磁珠洗涤、化学发光反应/检测。研究以全集成方式实现了两种感染相关蛋白标志物——C-反应蛋白（CRP）和降钙素原（PCT）的检测，整个分析过程在15 min内完成。

图4 主动式液滴阵列微流控芯片上的感染性疾病标志物免疫化学发光分析。(A) 液滴芯片上试剂预装载；(B) 液滴芯片上的免疫化学发光分析流程；(C-D) CRP 和PCT的定量分析 (n = 3)。

（来源：Chem. Commun.）

本研究发展的主动式液滴阵列微流控技术具有操控便利、应用灵活和扩展性强的优势，因而是实现现场快速多重复杂分析的有利工具。原文出处：Shu, B. （舒博文）^#, Li, Z.（黎柱钧）^#, Yang, X.（杨潇）, Xiao, F.（肖锋）, Lin, D.（林冬果）, Lei, X.（雷秀霞）, Xu, B.（徐邦牢）, and Liu, D（刘大渔）*. Active droplet-array (ADA) microfluidics enables multiplexed complex bioassays for point of care testing, Chem. Commun. 2018, 54（18）, 2232~2235.

论文链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cc/c7cc09377b#!divAbstract

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