集成微流控PM2.5中重金属检测及单细胞基因毒性研究

Currently, efficient detection and analysis of heavy metals in the airborne fine particulate matter (e.g. PM2.5) and the correlation with human health are critical to addressing the undesired environmental issues. By conventional tests, high-cost facilities from different groups must be combined for a single run, and therefore the portability, efficiency and sensitivity are limited. In parallel, it is considerably hard to perform integrated single-cell study by traditional methods. Here, we propose a microfluidic approach and develop two kinds of microchips for fully integrating all operation and analytical procedures with high throughputs. The chips are fabricated by cellulose filter paper and biocompatible polymer materials respectively. Of these, paper chips are designed for portable and efficient detection of 12 kinds of metal ions in PM2.5 while polymer microchips are created to quantify associated toxic effect on multiple functional genes in 400 individual human lung epithelial cells. Additionally, Finite Element Analysis (FEA) will be leveraged to predict the operating parameters and optimize experimental strategies prior to tests. The proposed approach is capable of increasing throughputs and experimental integrity compared with the existing traditional and microfluidic methods. Therefore, this work holds a potential to improve PM2.5 control strategies in China, and establish resources for the future PM2.5 related bio-medical fundamental research.

高效检测空气细颗粒物PM2.5组分并精确解析其对人体健康的影响是提升防治水平的重要科学前提。传统方法需要借助不同实验室的多套设备，存在成本高、周期长等问题，难以便携地同时检测PM2.5中多种金属离子并在单细胞水平分析其基因毒性。申请者提出一种新型高通量集成微流控方法，研制滤纸-石墨烯和玻璃-高分子聚合物两类芯片，分别用于检测PM2.5中12种潜在金属元素，以及大规模并行量化重金属离子对400个人体肺上皮细胞内调节基因的表达调控，最终揭示PM2.5对健康细胞的基因毒性作用机理。此外，有限元数值模拟计算将用于评估和优化关键试验参数。研究将在理论上完善现有PM2.5检测与分析方法，在技术上提升当前微流控芯片检测通量和集成度，最终为完善我国大气污染防治策略提供支持，为更深层次PM2.5相关生物医学研究做预研和技术储备。

我国雾霾等极端天气影响着国民身心健康和经济发展潜力，细颗粒物PM2.5是形成雾霾的主要因素之一，准确检测PM2.5有害化学组分并研究其对健康细胞的毒性作用是提升污染防控水平的重要科学前提。.课题研制多类新型纸基微流控芯片、开发新型大气污染物采集设备、创新痕量金属分析方法、构建智能便携式生化图像分析平台，完成了多地区PM2.5中重金属元素现场、实时、自动化定量检测。其中，基于紫外光刻技术，改进光刻胶配方，首创大规模、低成本纸基微流控芯片工艺，加工时间为30秒/批次，纸芯片成本为0.23元/件，工艺性能均优于已发表同类方案；基于系泊式无人机技术和增材制造，开发长时、长跨距便携式大气污染物采集设备，实现了不同经纬度、海拔高度的多地区污染物采样；首创氧化石墨烯纳米片增强纸基微流控痕量金属检测方法，检出限为5.0 ng，各项性能优于传统光学比色法；基于智能手机分析技术和微阀阵列，构建智能、自动化分析平台。同时，课题研制多型聚合物微流控芯片、构建单细胞操纵与分析平台，完成了单个人体细胞内多重基因表达水平检测。其中，芯片结构包括可复用基底层、钝化层、磁铁层、流动层和气动控制层，单次实验检测通量为6、48并可拓展至400。应用自研集成微流控单细胞操纵及基因表达检测实验平台，完成了水力法单细胞捕捉、化学裂解、mRNA微磁珠捕获及多重RT-qPCR实验。此外，项目还研制新型阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片，进一步降低成本并简化实验操作。.项目实施以计划目标为导向，完成了各项既定研究内容，为完善我国大气污染防治策略、创新环境污染物检测方法提供了潜在新途径和新范式。同时，项目密切结合本领域前沿动态，延伸开展微流控器官芯片初步研究。下阶段将应用生物3D打印技术和新型水凝胶生物材料构筑多器官芯片，用于环境污染人体健康评价和环境毒理学等领域的基础研究。