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数字微流控技术能否革新实验?

数字微流控技术能否革新实验

据麦姆斯咨询报道,麻省理工学院(MIT)研究人员开发出一款创新硬件,利用电场将化学或生物溶液的液滴移动到印刷电路板(PCB)表面,并将它们以各种方式混合,用于并行测试数千种反应。

研究人员将该硬件视为目前常用于生物研究的微流控装置的替代品。常用的微流控装置中的生物溶液通过微阀连接的微通道抽吸。新方法则以计算好的程序通过电控方式移动印刷电路板上的液滴,可以使实验更高效、更经济、更大规模地进行。

麻省理工学院媒体实验室新系统开发负责人Udayan Umapathi指出,“传统的微流控装置会用到微通道、微阀和微,意味着它们都是机械式的,会时不时地出故障。三年前我就注意到这个问题,当时我在一家合成生物公司,在那里我建立了一些微流控装置,以及能够与之相互作用的机械式装置。我必须看护着这些装置,以确保它们不会发生‘爆炸’”。

Umapathi继续说道,“生物学正在走向越来越复杂的过程,我们需要能够操纵越来越小液滴体积的技术。微通道、微阀和微泵很快变得复杂起来。之前我创建的装置,花费了我一个星期的时间去组装100个内部连接。假设装置规模从100个连接变成100万个连接,手动组装就变得不切实际。”

该款新硬件包括软件部分,允许用户以高度概括性语言描述他们希望进行的实验。软件自动计算液滴在整个表面的路径,并协调后续操作的时间。

“操作者可以指定实验的需求,例如,试剂A和试剂B需要混合并‘培养’一段时间,然后与试剂C混合。操作员不需要指定液滴如何流动或在哪里进行混合,这一切都由软件预先计算完成。”

Umapathi和他的共同研究者——麻省理工学院Jerome B. Wiesner媒体艺术和科学学院教授Hiroshi Ishii,在Ishii实验室工作的本科生Patrick Shin和Dimitris Koutentakis,以及该实验室的韦尔斯利学院本科生Sam Gen Chin,在本月出版的在线杂志《MRS Advances》上,以论文形式描述了他们的创新硬件。

在过去的十年里,其它研究小组已经尝试过用数字微流控”,或电动液滴操纵来进行生物实验。但是他们的芯片通常使用高端刻蚀技术制作而成,这种技术需要进行环境控制,达到无尘室级别。Umapathi和他同事专注于降低成本。他们的硬件样品使用了一块印刷电路板,这是一种商品市场上可以购买到的电子器件,由塑料板组成,上面布置有铜线。

研究人员的首要技术挑战是为印刷电路板的表面设计一个减少摩擦的涂层,使液滴能够滑过,此举能防止生物或者化学分子黏附,这样它们就不会污染后续的实验。印刷电路板采用电级阵列图案化。在样品中,研究人员将更密集的微小球体阵列涂在板子上,这些球体只有1微米高,由疏水(防水)材料制作而成。液滴滑过球体顶部。研究人员也试验了球体以外的结构,这些结构在特定生物材料中效果更好。

由于该装置的表面是疏水性的,因此沉积在表面的液滴会自然呈现球形。充电电极将液滴往下拉,将其压平。如果扁平液滴下方的电极逐渐关闭,旁边的电极就会逐渐打开,疏水材料将驱动液滴往带电电极移动。

移动液滴需要高电压,大约在95~200伏之间。麻省理工学院研究人员的带电电极装置在高压、低频(1千赫兹)信号和3.3伏、高频(200千赫兹)信号之间,以每秒300次的频率进行交替。高频信号使系统能够确定液滴的位置,它所使用的技术与触屏手机基本相同。

如果液滴移动不够快,系统会自动提升低频信号的电压。系统也能从传感器信号中预估液滴的体积,与位置信息一起,帮助研究人员追踪反应的进度。

Umapathi认为,数字微流控技术能够大大降低工业生物学中常用实验程序的成本。例如,制药公司会频繁地进行多个并行的实验,需要用到配备有数十,甚至数百移液器的机器人,以及非常像加长滴管的小测量管。

Umapathi提出,“如果你去了解一家药物开发公司,一台移液机器人一周内将使用一百万个移液器吸头,这也将转化为新药开发成本的一部分。我正在开发一些液体分析方法,可以将移液操作次数减少100倍。”

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