数字微流控仪器的广泛应用

在经过近二十年的发展，数字微流控技术逐渐成熟，理论也逐渐完善，近几年国内外涌现出诸多商品化产品，将数字微流控技术推向市场。尽管数字微流控技术逐渐成熟，但该技术仍存在加工成本高、技术要求高、仪器开发难度大等诸多问题待解决，这也大大限制了该技术的普及。

目前仍然有许多科研工作者致力于解决这些问题，带领数字微流控技术走出实验室，走进人们的日常生活，实现在即时检测、食品安全、环境监测、生化分析等领域的广泛应用。

1、ePlex平台

ePlex是美国GenMark公司研发的一种数字微流控平台，它具备高度的自动化特性，是目前市场上唯一一个从采样到应答的工作流系统。ePlex秉承着为患者设计，为实验室优化的理念，经过精心设计，实现了高度的自动化和集成化。

ePlex根据实验室和医疗系统的多样化和不断变化的需求，结合客户反馈、自由定制和直观的用户界面，旨在开发一种更为高效和人性化的软件。为满足大多数机构的需求，ePlex系统提供了模块化和可伸缩的设计，通过一个简化的路径增加容量。

目前ePlex拥有5种不同的仪器配置，测试通道最多可达到24个，其中ePlex NP每次可同时测试12个患者样本，而ePlex4的配置超过了世界上任何一个从采样到应答平台。

到目前为止，ePlex一共更新过4次，每个版本都做出了重大的改进并引入了更多的增强功能，旨在提高每一个环节的效率。

ePlex4提供了许多新功能，有助于提高以患者为中心的医疗服务效率，其具备24个通道，每天可检测288个患者样本，可自动进行质量监控，检测速度较ePlex1提高了4倍。

GenMark公司主要有呼吸道病毒检测芯片、HCVg直接检测、囊性纤维化基因分型、血栓形成倾向风险测试、华法林阻凝剂敏感性测试等。

其中，GenMark eSensor技术是基于竞争DNA杂交和电化学检测原理。其对目标生物标志物具有很高的特异性，并不基于荧光或光学检测。因此，诊断测试不太容易出现样本污染风险，也不需要耗时的清洗和准备步骤。

2、OpenDrop平台

OpenDrop是由一个开放研究团队Gaudi团队研发的数字微流控平台，首次在2017年微流控年会上展示。该平台利用介电润湿的原理控制微小液滴的运动，在芯片上实现小体积反应，可应用于芯片实验室中的数字生物自动化过程。同样作为一种开放性的平台，OpenDrop支持操作硬件所需的所有设计文件和软件都在开放许可下共享。

为了降低其他实验室对数字微流控的研究门槛和成本，该团队秉持着DIY模式和低成本的理念，尽可能使用市场上标准化组件、材料和生产过程，将设备运行的成本最小化，以避免个别客户无法使用部件或需要支付昂贵的安装费用。

Gaudi团队最早是从印刷电路板上的电润湿实验开始研究数字微流控平台，通过Arduino UNO控制晶体管对电极供电。经过短短两三年的时间，Gaudi团队已经在数字微流控仪器构建上取得了重大进展。到目前为止，OpenDrop平台已经更新到第四代。

第一代是以印刷电路板作为电极层，通过可伸缩的电子控制和简单的涂布方法，实现了DIY模式和低成本理念。

第二代采用两倍电压驱动芯片HV507，并扩大了电极阵列，从原来的8×8电极阵列扩大到16×8电极阵列，每个电极2.75mm。此外还增加了液体进样口、LED显示屏、电压控制读取模块以及wifi模式。

第三代是OpenDrop V3，相比于前两代，第三代OpenDrop做出了重大的改进，具有许多新的特性。首先在电极方面，OpenDrop V3采用镀金的电极阵列，将14x8电极阵列和4个储液槽集成到印刷电路板上，液滴可以停留在涂覆了疏水材料的薄膜上；在液滴驱动方面，该设备通过USB-C到USB-A电缆供电，运用软件设置驱动电压，可高达300V，支持交流和直流电压两种模式；OpenDrop V3运用32位AVR SAMD21G18微处理器，拥有充足的内存和电源；增加了多音音频放大器和扬声器。

OpenDrop V4是OpenDrop平台的最新版本，在第三代的基础上，芯片卡盒做了较大的改进。主机上设置有卡槽，将组装好的芯片卡盒嵌入进开放式或“无顶式”电润湿仪器中，即可开展设备演示，更适用于研讨会，教学和技术演示。

利用介电润湿效应来移动液滴的关键是拥有一个超疏水性良好的滑动表面，市场上有不同的电润湿涂层材料，如氟化聚合物、特氟龙等，这些都是非晶型氟聚物，可通过自旋涂层或浸渍涂层沉积。

Gaudi团队最早只是使用了聚乙烯(polyethylene, PE)和厨房锡纸材料作为疏水材料，再在上面涂布Rain-X—一种用于挡风玻璃的商用防雨剂。后来他们发现在简单的无上极板体系中利用保鲜膜和硅油组合作为疏水层是一个更好的选择。之后为了适应有上极板的体系，他们开发了更先进的解决方案，即使用聚四氟乙烯箔和氟化聚合物作为疏水材料。

3、DBS数字微流控平台

2010年成立的上海衡芯生物科技有限公司（简称“衡芯生物”），是我国家专注于开发数字微流控芯片、仪器及其应用的高新生物科技公司，在数字化微流控技术方面已经获得多项国际专利。自成立起至2013年，该公司依次完成了以硅为基底的微流控芯片和玻璃芯片的研发，并于2014年在中国、美国、欧盟、韩国等多个国家或地区获得双电极结构芯片的授权。2015年，衡芯生物完成了与罗氏诊断的合作，实现了衡芯产品在手足口病、肺结核、乙肝等传染病检测中的应用。

该公司针对不同实验的需求对芯片进行不同的设计，为方便控制温度及光学测量，他们采用玻璃基底和透明电极；为实现微量样品的检测，他们设计的上板有玻璃和塑料两种形式，并且设有进样和取样孔。目前，衡芯生物生产的数字微流控设备主要有以下三种。

(1)基于数字微流控技术的定量PCR(polymerase chain reaction, 聚合酶链式反应)仪一DBS-qPCR HT。作为一种高灵敏度的分子检测方法，定量PCR在生命科学研究、临床医疗检测等领域广泛应用，包括传染病的诊断与疗效评估，肿瘤标志物及其基因检测，优生优育检测，遗传基因检测，食品过敏源、转基因检测，动物疾病检测，法医鉴定，卫生检验检疫等。

他们在芯片的不同区域设置PCR所需温度，通过移动液滴的方法对其进行PCR，并可实现16个样本同时荧光检测。DBS-qPCR HT的反应体积范围大，在2~15uL，可用于体积要求较大的传染病样本检测，又可用于对试剂成本较高或起始量较小的样本检测，在小体积时最快在15min之内可完成40个PCR循环，具备高速、高效的特点。

(2)基于数字微流控技术的高通量测序自动建库仪—DBS-LibPrep，这是个适用于Illumina测序平台的文库制备系统，用户只需完成加样和加试剂的操作剩下的诸如酶切、末端修复、加腺嘌吟核苷酸尾、加连接头、PCR以及磁珠清洗等过程均可由仪器自动完成。相比于传统的建库方法，DBS-LibPrep最多可节省95%的试剂用量。它操作简便，只需要一次性加样和一键操作，即可同时实现4个文库的制备，制备好的文库可直接用于上机测序。

(3)基于数字微流控技术的荧光定量PCR仪一DBS-3000mini，是上海衡芯生物科技有限公司专门为基于液体工作站文库构建而设计的，集DNA扩增和定量于一体。DBS-3000mini有16个独立控制的反应通道，在扩增DNA的同时对样本的荧光强度进行实时测量，当样本的荧光强度达到阈值时，可以停止对该样本的温度循环，而其他样本的扩增可以继续进行。

这样不管起始浓度差，建库结束后16个样本的浓度量级相当，保证了扩增后16个样本的均一性，从而提高了测序的质量。这台仪器可单独作为定量PCR仪或液体工作站的插件使用，在二代测序样本建库时，可对每个样本进行独立的PCR荧光监测与控制。

另外，该公司可提供数字微流控产品定制，自由选择功能模块，包括1~5个芯片温控模块(4~100℃)，对芯片实现区域控温、1~4个波长光激发，在芯片上可同时对16个液滴进行光激发和检测、芯片上的磁珠控制，用于对DNA或抗原的捕获、清洗和洗脱。可实现多种功能：①极速实时荧光定量PCR;②高通量恒温荧光定量检测；③核酸样本预处理；④免疫荧光检测；⑤化学发光检测；⑥细胞分选；⑦基于CRISPR的核酸检测。

4、Digifludic平台

迪奇孚瑞生物科技有限公司成立于2018年，主要以数字微流控技术为核心，以自动化核酸分析系统为主要产品，致力于开发精准自动化体外诊断设备，应用领域包括医疗疾病诊断、动植物病害检测、健康指标检测、进出口检验检疫、食品安全检测等。该公司应用的微流控技术来源于澳门大学的研究成果，在微型芯片上的液滴可以作为载体，承载各种化学生物反应试剂、细胞、蛋白质、DNA和RNA等，使其可以被移动、分样、融合和控温，继而能够自动完成各种相关的测试反应。

迪奇孚瑞生物科技有限公司主要的芯片有传染病检测芯片、健康指标检测芯片、动植物病害检测芯片，以及虾类水产病毒病害检测芯片。这里主要介绍传染病检测芯片和动植物病害检测芯片。

这两种芯片的外观基本一致，并且同时都可以为12个指标进行联合测试，一次可加样多个指标。传统的PCR流程在实际的操作中，需要进行样品制备、核酸提取、纯化、扩增、与标志物杂交等步骤，最后才能进行检测，这个过程耗时长、易污染、对操作人员和场地有较高的要求。而他们的芯片具有小型化、集成化、自动化的特点，一次可加样预存多个指标，在很大程度上解决了上述问题，省时省力，降低污染。

针对传染病患者，他们可将多达12种的致病病原体试剂预存在芯片上，可一次检测出具体是哪种病原体致病，从而让患者接受更有针对性的治疗。这一过程耗时短，可以避免因未及时治疗而导致的病情恶化，也为患者提供便利，在家中便可以检测。而对于养殖业和农业业主十分友好，检测时间只需30~60min，方便业主实时掌握质量数据。

审核编辑：刘清