ACS AMI：新研究有望革新数字PCR/数字ELISA芯片技术

来源：X一MOL资讯

体外诊断是疾病早期筛查和预后评估的重要方法，随着医学和检测手段的不断发展，体外诊断的精准性、灵敏性不断提高，但仍有众多痕量核酸和蛋白对高灵敏检测方法提出严苛要求，例如重大精神疾病诊断、肿瘤早筛、病原筛查、伴随诊断等。近年来以数字PCR(dPCR)和数字ELISA(dELISA)为代表的单分子计数带来了数字化分子诊断的革命，实现了前所未有的单分子绝对定量。它比传统PCR或ELISA灵敏度高1000倍，在遗传病、病原体、癌基因检测等分子诊断领域发挥了不可替代的作用。然而目前PCR/ELISA的核心技术被国外垄断，国内缺少真正的原创革新技术，并且目前国外产品成本高昂，操作复杂费事，通量有限，因此需要开发新型的分子及免疫高灵敏技术，其技术核心是高通量的阵列化微流控芯片。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院微纳系统与仿生医学研究中心吴天准课题组在快速化微液滴生成和高密度颗粒阵列方面取得了重要进展。在课题组前期仿生猪笼草超滑表面研究（Sens. Actuators B Chem., 2016, 235, 732-738）基础上，历经几年潜心研究，创新性地将仿生表面微流控用于新型dPCR和dELISA所需的高通量阵列化，相关研究成果发表于近期的ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。研究助理彭智婷为该论文的第一作者，吴天准研究员为通讯作者，陈艳研究员为共同作者。研发工作获得了国家自然科学基金、广东省干细胞重大专项、广东省应用科技专项及深圳市技术攻关项目等资助。

该论文受自然界中猪笼草瓶口特殊三维楔形结构的启发，创新性地将三维倾斜微阵列表面用于高通量液滴、细胞和颗粒的分散阵列化。论文描述了该3D仿生猪笼草瓶口表面(Nepenthes Peristome Surfaces, NPS)在滑动模式下，借助曲率诱导的拉普拉斯压力，实现了超快微滴生成；以及在爬升模式下，利用蒸发驱动的马朗戈尼效应，实现了高密度微颗粒的聚集与排列。通过调节接触角和倾斜角，观察到了液滴由于接触线各向异性的运动与钉扎，在NPS上表现出不同的润湿现象，且由于不同条件下的膜厚梯度，最终导致微液滴的产生和微颗粒的阵列效果具有显著的差异。在爬升模式下，自发形成的有厚度和温度梯度的水膜，导致水分蒸发增强，微粒向后退的接触线聚集。当微粒子在马朗戈尼流（热毛细效应）驱动下到达后退的接触线时，由曲率诱导的拉普拉斯压力引起的不稳定薄膜将微粒子推入微腔内。在滑移模式下，液体扩散迅速，在后退接触线附近的不稳定的液体薄膜会分裂成均匀的微滴。在具有亲水性的微腔中，液滴被牢牢地锁住，此时微液滴蒸发速度较慢。在没有机械泵的情况下，基于微孔阵列的不同应用也得以实现，如免疫分析的高覆盖率微粒子阵列、干细胞阵列以及快速的液滴生成。在实验室经过初步优化，NPS可在65 s内排列粒径为5微米，覆盖率为85%的40万个微珠；可在3 s内排列直径约20微米，覆盖率为100%的成千上万的微滴。并且，作者进行了dELISA的概念演示，获得了各种浓度下良好阵列的免疫复合物微珠阵列，验证了C型反应性蛋白（CRP）的计算浓度与常规ELISA测定的良好一致性。这种精心设计的仿生表面表现出了优异、便捷的高通量阵列性能，并作为一种超快、通用、直接在水溶液中捕获和阵列单细胞的方法，可广泛应用于各种物理、生物和化学分析，特别是可视化的高通量阵列分析。

图1. (a)不同浓度CRP制剂的微粒子阵列的代表性荧光图像。标尺：80 um。(b)六种不同浓度梯度的CRP试剂。(c)微粒的荧光光密度(O.D.)与CRP的实际浓度成正比，具有良好的一致性。

该论文展示了很强的应用价值和潜力，可在数秒到数十秒之内生成数以万计的单分散、高密度液滴和微珠阵列。经过后续技术完善，有望实现分子数字PCR与数字ELISA在同一芯片及仪器平台的复用，并可支持96样本同时进样，可望大幅缩短处理时间，降低芯片成本、整机费用和单次测试样本成本，促进dPCR和dELISA的亲民化、普及化。相关的多个核心发明专利已转移转化到微纳中心孵化的高科技医疗器械企业（深圳市中科先见医疗科技有限公司）。近期基于该核心技术及产业化成果，中科先见携“免疫/核酸单分子检测全集成系统”项目参加第三届中国医疗器械创新创业大赛决赛，受到业内专家的高度评价，获得总决赛初创企业组亚军。

图2. (a)当接触角接近极限值时，接触线在蒸发作用下开始回缩。(b)浅层区域中流动的微粒快照(时间= 5秒)以及暗场放大图。(c)当倾斜角为 -5°时，微粒子阵列密度由于接触角不同而变化。(d)在倾斜角为 +5°时，微液滴阵列大小由于接触角不同而变化。