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火爆生物界的微流控技术(一):前世今生

时间:2022-03-16 来源:上海玮驰仪器有限公司 阅读:400

二十世纪中叶,人类文明史迎来了又一次重大飞跃——第三次科技革命,这是一场涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的信息控制技术革命。美国国防部高级研究计划局(DARPA)和DGA等军事机构对实验室芯片技术很感兴趣,因为这样的技术能够使他们尽快发现部队和平民遭遇到的生物威胁。微流控芯片技术也被NASA誉为空间生物实验的未来发展方向。

受到集成电路的启发,为了满足生物和化学分析仪器小型化、集成化的需求,大量的资金投入推动了微流控芯片技术的研究。一个崭新的研究领域应运而生,那就是微流控芯片实验室(Lab on a Chip)。

火爆生物界的微流控技术(一):前世今生

 

1979年,斯坦福大学的一项气相色谱研究中首次真正使用微流控芯片实验[1]。随着微流控技术的和微加工技术在聚合物芯片生产过程中的发展,微流控芯片研究在80年代末蓬勃发展,这种对聚合物的微型加工技术也有了它真正的名称——软光刻(Soft-Lithography),又称软刻蚀。

目前该技术通过微加工工艺在硅、金属、高分子聚合物、玻璃、石英等材质的基片上,加工出微米至亚毫米级的流体通道、反应或检测腔室、过滤器或传感器等各种微结构单元。

火爆生物界的微流控技术(一):前世今生

 

相较于微电子行业的的硅片制造,聚合物微芯片较容易制造,这使得许多实验室能够展开微流控芯片领域的研究。微通道的微米级别尺寸与细胞基本相符,因此早期微流控芯片研究更侧重于细胞生物学。这些技术上的进步使研究者能够轻松地在单细胞水平上进行操作。

此后,更多的生物化学操作的微型化的研究大量开展,将所有从样品采集到最终分析的步骤整合到一块芯片上,配合流体控制或分析仪器实现从采样到分析的所有操作,人称微型总分析系统μTAS[2]。“微流控芯片的研究早已超出了学术界的范畴,它很可能成为信息科学和生命科学之间沟通的桥梁”[3]。

在生物医药行业,微流控芯片技术也被广泛用于蛋白质和核酸的检测。1995年首家从事微流控芯片技术的CaliperLifeSciences公司成立,大大推动了微流控芯片的商业化进程。珀金埃尔默(PerkinElmer)公司于2011年收购芯片实验室技术领导者Caliper生命科学公司,2014年发布LabChip®GX Touch以及LabChip®GXIITouch自动化微流控芯片电泳系统[4,5],该系统在灵敏度与分辨率方面,与传统毛细管电泳技术相当,但在样品检测速度方面,LabChip®蛋白样品分析速度是传统毛细管电泳技术的70倍[6]。

火爆生物界的微流控技术(一):前世今生

 

微流控芯片技术还被广泛用于单细胞功能分析,如IsoPlexis公司的全自动单细胞功能蛋白质组学分析系统。该公司成立于2013年,在2018年推出基于微流控技术商业化产品IsoLight,IsoSpark,IsoSparkDuo。通过单细胞蛋白组芯片上12,000个微室同时可捕获上千个细胞,并利用每个微室中固定包埋的Barcode抗体条形码技术捕获32种活的细胞因子,还可以检测单细胞胞内磷酸化通路,以此来揭示细胞亚群中独特的免疫生物标志物,推动免疫疗法及靶向治疗精准化发展。

火爆生物界的微流控技术(一):前世今生

 

感谢阅读,接下来两期,我们来重点聊聊LabChip®微流控芯片系统和IsoPlexis全自动单细胞功能蛋白质组学分析系统的应用吧。

 

参考文献:

[1]S.C.Terry,J.H.Jermanand J.B.Angell:A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on aSilicon Wafer,IEEE Trans.Electron Devices,1979,26(12),1880-1886.

[2]BontouxN, Dauphinot L, Potier M C. Elaborating Lab-on-a-Chips forSingle-Cell Transcriptome Analysis[J]. Lab on a Chip Technology:Biomolecular separation and analysis, 2009,2,167.

[3]林炳承秦建华.微流控芯片实验室(精)[M].科学出版社,2006.

[4]PerkinElmer以6亿美元收购Caliper,
http://www.ebiotrade.com/newsf/2011-9/201199110050485.htm

[5]PerkinElmer发布LabChipGX Touch以及GXIITouch自动化电泳系统,
https://www.antpedia.com/corp/news-2589.html

[6]ChenX, Tang K, Lee M, Flynn GC. Microchip assays for screening monoclonalantibody product quality. Electrophoresis.2008,29(24),4993-5002.