一体化数字PCR中液滴不稳定性的实验研究

Microfluidics is a burgoning technology in chemical and bio-medical applications, whilst high throughput instruments are fully developed. To combine both of them, we have set up a prototype where droplets are formed in capillary crosses connecting to the high-throughput instruments, other than in normal microfluidic module. Our primary resuts support the proposed strategy , and we propose here to study further the effects of fluid flow dynamics on stability of droplets in the process of both formation and transport in the capillary.To make droplets uniform as required and guarantee them stable during transport, we propose to study systematically on the source of pressure supply, the hydraulic properties and its non-linear change to flow rate, and properties of buffers and surfactants, carrying oils, and even the layout of capillary tubes. The aim of our plan to achieve is to have basic understandings and even to draw some procedures if possible that one has to follow in one's desgin or use of such a system.

像流式细胞仪这样的高通量微量测量技术已经很普及；我们根据其毛细管尺寸处于微尺度这个特征，在其十字接头处稳定地产生了纳升级液滴序列，成功地将流式细胞仪改造成为高通量一体化数字PCR原型系统。在此基础上，我们进一步提出申请，深入研究该系统内影响液滴稳定的几何、物理及生化因素。计划中，仍然以流式细胞仪为模型，并从毛细管内液滴的流动动力学因素入手，分析包括流体压力源、检测系统毛细管网阻力特性、缓冲液、鞘液油的生化性质、表面活性剂及其高温下的扩散能力等在内的可能因素；基于纯水和生物油所构建物理机理有助于分析这些影响因素，而它本身不能预计和解决这些特殊问题。本研究计划拟对这些不稳定因素展开系统的理论分析和实验研究，以确定在高通量微量测量设备中液滴保持稳定流动、不融合所需要的基本生化物理条件。

本项目针对一体化数字PCR中液滴不稳定性的实验研究。经过四年不断的实验，建立了稳定可靠的液滴数字PCR及其单分子收集系统。本项目最主要进展是发现注射泵的脉动性是导致ddPCR中液滴不稳定的主要因素，而柔性毛细管对这种脉动的缓冲作用能有效此问题；另外，同样重要的是，管路一定要沿着重力方向向下布置，避免流动与重力方向出现交叉。基于此两项发现，我们用硅胶毛细管实现双柱加热循环的液滴流式ddPCR后，经过单分子检测实验验证，证明所建立的解决方案是有效的；虽然检测是在改造后的毛细管流式细胞仪内完成的，但仍然能够检测到分子数目低至每微升100 拷贝数的程度；更为可喜的是，我们用筛选流式细胞仪对单分子实现了回收；在用 SELEX 分子筛选过程进行验证时，此方法有效地加快了SELEX 进程，比正常 SELEX 过程，提前 7 轮找到目标Aptamer。由于我们所获得的是Aptamer分子本身，而不是它们的其序列，意味着我们无需按照 SELEX 流程，再去测序以及分子合成。这个结果为将毛细管液滴流式 ddPCR 发展成为新一代高通量单分子筛选系统，奠定了坚实的实验基础。本项目中的第二个重要进展，就是我们成功将螺旋聚焦应用到单细胞分析用芯片，建成了高效单细胞分析昔年，细胞利用率从目前的 0.15% 提高了 3%。另外，我们还研究出基于毛细管接头的飞升液滴发生器，最高能以20kHz频率产生 2um的液滴。