超微量、高通量微流控液滴分析筛选系统的研制

High throughput screening systems are important tools for drug development and fundamental research of life science and chemistry. Toward the requirements for miniaturization of high throughput screening systems, the objective of the present project is to develop a ultramicro amount, high-throughput and automated droplet-based microfluidic analysis and screening system with completely independent intellectual property, on the basis of the DropLab, microfluidic chip fabrication and fluorescence detection techniques previously developed in the applicant’s group. Multiple modules including quantitatively sampling and assembling system for picoliter scale droplets, high-speed x-y-z translational stage, ultrahigh-density droplet array chip, high sensitive fluorescence detection and data processing system, as well as instrument control, display and electronic circuit systems will be integrated into the screening platform to realize the integration and automation of the system. The analysis and screening system will be applied in the fields of drug screening on molecular level, protein crystallization condition screening, and digital PCR. The development of this system will contribute to breaking the technological monopoly of foreign companies on high-throughput screening technology and instruments, and will also play an important role in the strategic development of scientific instruments in our country, especially in the fields of drug discovery, structure biology research, combinatorial chemistry and early diagnosis of diseases.

高通量筛选系统是目前药物研发、生命科学和化学研究的重要工具。针对当前上述研究领域对高通量筛选系统微型化的迫切需求，在研究组前期发展的液滴实验室（DropLab）技术、微流控芯片加工和光学检测技术的基础上，研制具有自主知识产权的超微量、高通量、自动化微流控液滴分析筛选系统。将皮升级液滴定量量取和组装系统、高速三维移动平台系统、超高密度液滴阵列芯片、高灵敏荧光检测和数据处理系统，以及仪器控制、显示和电子电路系统均集成于该筛选系统中，实现整体系统的集成化和自动化，并将其应用于分子水平的药物筛选、蛋白结晶条件筛选和数字PCR等研究领域。另辟蹊径，打破国外公司在高通量筛选技术和仪器上的垄断，为我国科学仪器的战略性发展，也为我国在新药创制、结构生物学研究、组合化学合成、疾病早期诊断等领域的研究做出重要贡献。

在项目研究中，在国际上首先提出“顺序操作液滴阵列（Sequential Operation Droplet Array, SODA）”的微流控液滴操纵新方法，能自动地完成对超微量（皮升-纳升）液滴的多步复杂操控。与现有液滴操控方法相比，具有突出的可控性、灵活性和通用性。以此为核心，发展了多种具有自主知识产权的微流控液滴操纵新方法，包括：半接触式液滴连续点样方法、基于表面辅助的高通量液滴点样方法、自动化液滴阵列浓度梯度技术、基于液体残留的飞/皮升级液体操控方法、基于固体蘸样针阵列的高通量液体操控方法、微流控三维液滴链技术等。还发展了长光程吸收光度液滴检测、高速毛细管电泳液滴分析、高通量电喷雾质谱液滴检测、液相色谱-质谱联用液滴分析等一系列液滴检测和分析新方法。.基于上述成果，将微量液滴定量量取和组装系统、高速三维移动平台、液滴阵列芯片、检测和数据处理系统，以及仪器控制、显示和电子电路系统集成于一体，研制成功四代6套超微量、高通量微流控液滴分析筛选仪器。所研制的仪器在整体尺寸、系统集成度、液滴操纵体积、多通道系统的通道数、分析通量、检测性能等指标上均达到或超过项目任务书的要求。在进行大规模高通量筛选时的试样/试剂消耗水平上，与目前的商品化仪器、文献报道的常规系统及其他微流控系统相比，SODA仪器已具备一定的国际领先优势。同时，在大规模高通量筛选芯片的三维空间定位和校正方法上有所创新，提出了一种研制皮升-纳升级超低消耗高通量筛选仪器的新的仪器结构模式。.在仪器应用研究方面，成功将所研制的SODA仪器的应用拓展到多个领域，包括：微量生化分析和细胞生物学实验、分子水平和细胞水平的药物筛选、蛋白结晶条件筛选、单分子数字PCR、单细胞分析、临床生化分析、液滴系统与高分辨分离分析方法的联用等领域。在仪器的操作灵活性、系统通用性及广泛适用性等方面，表现出其他微流控系统所不具备的独特优势。.项目研究过程中，围绕SODA技术的方法、仪器和应用研究，已发表学术论文18篇，有5项国家发明专利获得授权，还申请了6项发明专利。相关成果已在当前的国际微流控研究中形成一个具有中国特色的新领域。这些成果对解决微流控分析系统通用化、实用化和普及化中的难点问题具有关键作用，将为化学、生物、医学、药学等领域的高通量分析和筛选提供重要的平台，有望在生命分析化学、高通量筛选、生物医学研究等领域获得广泛的应用。