基于微液滴的高通量多元分析新方法及肿瘤标志物的分析检测

This project focuses on droplet microfluidics for high-throughput and multiplex assay of tumor markers. Droplet microfluidics focuses on creating discrete volumes with the use of immiscible phases, producing highly monodisperse droplets in the femtoliter to nanoliter range, at rates of up to kHz.Such rate and volumes offer significant advantages for performing high-throughput screens and assays. Furthermore, discrete microdroplets act as reaction and detection containers, with the target signals remaining confined inside each droplet and increasing in intensity over time, which permits amplified detection of extremely low levels of target molecules. In addition, the spectral coding technology based on quantumn dot-encoded microbeads offer a potential platform for multiplexed bioassays. Thus an optically-coded droplet strategy based on the encapsulation of quantum-dot-tagged microbeads into microdroplets is conceived for the identification of the droplets composition. Using the optical coding scheme, the target molecules in microdroplets can be recognized with biomolecule probes on the surface of the barcoded microbeads, which have relations with the quantum-dot fluorescent spectral codes. Based on these functions, a novel droplet microfluidic platform is developed for high-throughput and multiplex assay of tumor markers of hepatocellular carcinoma, which perform parallel evaluation of multiplex tumor markers for early diagnostics of primary tumors and relapsed disease, as well as for determining tumor prognosis and predicting likely response of the tumor to therapy.

本项目开展基于微液滴的高通量多元分析新方法及肿瘤标志物分析检测的基础性研究。液滴微流控芯片以皮升级体积、kHz频率的单分散性微液滴作为操作单元，为高通量筛选提供了有效技术平台；同时，以固定体积的微液滴作为反应和检测单元，分析检测信号可在液滴内随时间不断积累，有利于提高分析检测的灵敏度，为液滴内超痕量分析对象的高灵敏检测提供了新方法；基于量子点的光学编码微球在多元分析应用中优势独特，在液滴微流控芯片中，以单个微液滴对单个量子点光学编码微球进行包裹，借助生物功能化的量子点光学编码微球的编码标记以及生物识别功能，实现液滴内目标对象的识别与分析，是一种多元分析的新思路。上述功能的微流控芯片集成化，可建立一种基于微液滴的高灵敏、高通量、多元分析新方法。该方法用于肝癌肿瘤标志物的多元分析检测，为多组份肿瘤标志物联合应用在提高肝癌早期诊断的准确性、指导癌症治疗等方面提供基础性技术支持。

滴微流控技术以千赫兹频率的微液滴作为操作单元，为高通量分析提供了一种有效技术平台。然而，受限于液滴微流控技术的进样方式以及微液滴内试剂加入等操控技术，基于微液滴的分析对象通常比较单一，多元分析性能表现不佳。为提高液滴微流控高通量多元分析性能，研究工作者从不同角度围绕微液滴操控技术开展了研究工作。其中，基于微液滴的多浓度、多组份进样操控技术从微流控芯片入口处提出解决方案，基于微液滴标记或编码技术从分析检测角度寻找出路，都为液滴微流控高通量多元分析的发展提供了新思路。本项目开展基于微液滴的高通量多元分析新方法及肿瘤标志物的分析检测研究，基于泵阀结构原理的微液滴基本操控技术，发展了逐级试剂引入的多组份试剂引入技术，构建了基于正压强驱动的多组份、浓度梯度试样进样系统，提出了接触式微通道内微液滴中试样加注的新方法，在程序控制多液滴融合顺序的基础上实现多液滴内多组份的灵活操控，提出了基于双色荧光强度编码的微液滴标记技术，开展了基于磁性荧光多功能微球编码微液滴的相关研究，为基于微液滴的高通量、多元分析提供了技术支持。借助亲和素-生物素系统，将核酸信号放大技术与常规免疫反应相结合，构建了高灵敏荧光检测肿瘤标志物甲胎蛋白的新方法；将核酸及蛋白质自组装技术与免疫反应相结合，建立了甲胎蛋白的高灵敏比色检测新方法，为基于微液滴的高灵敏检测提供技术基础。在基于微液滴的高通量、多元分析操控技术及高灵敏检测方法构建的基础上，开展了基于微液滴核酸及蛋白质如甲胎蛋白的分析检测新方法研究。基于多组份试剂引入技术及装置，开展了基于微液滴的多元核酸分析检测研究，可实现5～7种核酸样品的同时检测。项目执行期间，在Biosens Bioelectron, Chem Commun, Anal Chim Acta, Talanta等学术期刊发表学术论文10篇，参加国际国内学术会议7人次，共培养研究生4人，并以国家公派访问形式开展国际学术交流2人次。