面向单细胞基因分析的集成纳流体器件关键技术研究

Single-cell genome-wide analysis has emerged as a powerful technology in studying genomic information for disease diagnosis and prognosis, and therefore contributes to the development of high performance medical devices and the improvement of people’s health. Micro/Nanofluidics has been explored for single cell genomic studies and become a major research field. To address particular issues in nanofluidic devices for single-cell genome-wide analysis such as integration of nanochannels, single molecule manipulation and analysis, this application proposes a novel integrated nanofluidic chip, investigates its fabrication process and performance both theoretically and experimentally: (1) A novel method is proposed to form nanochannels based on thermal reflow of glass without resorting to advanced lithography tools. The monolithic integrated nanochannels with uniform profile and scalable size can be easily achieved through MEMS-compatible microfabrication techniques, which pave the way for mass production and wide application in nanofluidic devices. (2) Leveraging on this platform, an integrated nanofluidic chip is proposed to automatically perform multifunctional tasks in genome analysis of single cell, including single cell isolation/lysis, DNA purification/separation and genome mapping. The principle in the formation of nanochannels and the dynamic mechanism for single molecule manipulation will be disclosed through simulation and experimental validation. This project will provide a novel platform for the development of single-cell genomic diagnosis.

单细胞基因分析对于基因层面的疾病诊断、发展高性能医疗器件以及切实提高人民群众的健康水平起着至关重要的作用，也是生物微纳机电系统研究的前沿和热点方向。本申请针对单细胞基因分析的纳流体器件研究中的两个关键问题，即纳米流道的工艺集成和单分子的操纵分析，提出一种新型的纳流体器件结构和集成方法并进行理论和实验的创新研究：（1）提出一种基于非共形沉积和热回流的纳米流道集成方法，利用与MEMS工艺兼容的微加工技术在片上集成均匀可控的纳米流道，为纳流体器件的制备与集成开辟新途径；（2）在此基础上，提出一种新型的便携式纳流体芯片结构，自动实现片上集成化的单细胞捕获裂解、染色体DNA提纯分离以及基因分析等操作步骤。本研究将结合模拟仿真与实验验证，掌握热回流作用下纳米流道的形成机制，探索纳米流道对分子操纵调控的动态规律。本项目的开展，将为在单细胞层面上开展基因诊断提供新的平台。

在本基金的支持下，针对微纳流体器件中纳米流道的工艺集成以及单细胞基因分析中的分子分析检测问题，课题开展了包括纳米流道加工以及细胞裂解、DNA分离和传感等多项研究，取得了突破性的进展。首先，深入研究了基于非共形沉积和热回流的纳米流道集成方法，通过仿真精确模拟了工艺原理和沟道的尺寸与工艺参数的关系，并基于此原理成功制备了5nm~1μm大小均匀可控的集成纳米流道，工艺重复性好，方法简单，大大降低了器件的制备成本；其次，基于该流道，设计制备了细胞裂解、DNA提纯、分离、分析等微纳流芯片，器件性能达到国内外先进水平。特别是设计的纳米分子筛DNA和蛋白质分离芯片，首次在国际上提出利用局域化倾斜角沉积的方法在微流道侧壁形成形成疏密可控的纳米分子筛，间隙大小在200nm到70nm之间，可用于不同大小的DNA分离。器件能够用于100 bp–166 kbp大小的DNA以及11.4 kDa–205 kDa大小的蛋白质的快速分离，最小分辨率在10 bp以及7.9 kDa，分离时间10分钟以内，是目前国际上分离速度最快、精度最高的芯片之一。同时通过能级势垒的模型成功揭示了分子筛内在的物理机制。最后，基于集成纳米孔器件对相关的DNA进行精确的传感分析，通过DNA和BSA蛋白的过孔电流分析DNA的相关信息，从而获得包括过孔形态、折叠等生物信息。三年共发表论文6篇，其中包括传感领域顶级期刊Biosensors and Bioelectronics（第一标注，影响因子10.3），申请发明专利8项，授权1项。