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我校首项国家重大科研仪器研制项目获得国家自然科学基金委资助

2019-10-01

国家自然科学基金委员会近期公布了2019年国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目资助清单,全国共82项入选,资助总经费5.8亿元。其中,我校材料科学与工程系程鑫教授课题组牵头申报的“微流控数字液滴中央处理器芯片及平台系统的研制”项目成功入选。这是我校建校以来获批的首项国家级重大科研仪器研制项目。



程鑫课题组主攻微纳加工技术,包括超高精度(亚5纳米)表面图形化技术、适用于产业化的大面积低成本纳米加工技术、微纳3D打印技术等。课题组同时开发微纳加工在半导体器件、纳米光学、生物医学工程等多个领域中的应用。近年来,课题组在微流控芯片领域开展了大量创新性研究工作,并取得了一系列成果。

DNA/RNA测序前文库构建和蛋白质的结构大规模质谱检测等基因组学和蛋白质组学研究中的关键技术都涉及到稀缺、昂贵、体量极小样本的繁杂处理。缺欠大规模、高效的样本处理技术是当今生物医学研究和应用领域的一大瓶颈。由于细胞之间存在很大差异,单细胞组学研究近年来受到越来越多的重视。对大量单个细胞开展组学分析,对样品处理技术的精度和通量都提出了更高的要求,而传统的分析方法耗时费力,很难适应现代生物医学研究的需要。一段时间以来, 学术界和产业界一直在寻求理想的基因组学和蛋白质组学通用的大规模、高效的样本处理技术。

近年来急剧发展的微流控芯片被认为是解决上述问题一个非常重要的潜在平台。微流控芯片,又称芯片实验室,是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术,具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力。数字液滴微流控芯片以液滴作为微反应器和样品载体,被认为是解决上述问题非常重要的潜在平台。

在数字式液滴微系统中,液滴的驱动力来源为介电材料上的电润湿(Electro-wetting on dielectric,简称EWOD)力或介电泳(dielectrophoresis, DEP)力。其中,导电性液滴的驱动力主要为EWOD力,即受电场作用,液滴在与疏水表面接触的界面上前端接触角变小,而后端接触角基本不变,造成液滴变形,导致液滴两侧空气相(或油相)与液滴界面之间出现压差,推动液滴在平面上运动;介电(非导电)性液滴的驱动力主要为DEP力,即在外加非均匀电场引发的DEP力作用下,液滴进入介质中的高电场梯度区域,实现定向移动。



基于下置电极的电润湿或介电泳力微液滴驱动方式

上图:水性液滴(EWOD驱动);下图:DMF溶剂液滴(DEP驱动)


 由于数字液滴微流控技术对液滴控制的高度灵活性,国际上有杜克大学、加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院、剑桥大学、多伦多大学等高校课题组开展此领域的研究。该技术在全自动化仪器上应用前景,也吸引了Microsoft、Illumina、京东方等国内外著名企业开展研发。数字液滴微流控技术涉及流体力学、介电物理、表面化学、微纳加工、电路系统、智能控制、计算机软件、和生物技术等多学科交叉,开发难度大。现有数字液滴芯片和平台系统的制备与操控研究受制于材料和工程上的种种限制,电极数目和密度处于较低水平,液滴操控稳定性和可靠性差,难以适应超大的规模和通量要求。

程鑫课题组,联合大连化物所刘显明、陆瑶课题组,利用可靠性极强的有源矩阵电路技术和微流控数字液滴结合, 构建数字液滴中央处理器芯片和由相应硬件和软件组成的外围电子控制系统,重点关注液滴操控稳定性和可靠性,目标是实现对数万微小液滴并行连续的精准操控,大幅度降低昂贵试剂耗量,并通过动态重构使之适应不同的应用场景。

经过多年的合作开发,项目团队已完成20X20含400个电极阵列的有源矩阵数字液滴微流控芯片及原型系统,并设计基于微泵的流体输入输出接口,实现原型系统的全自动操作。通过对疏水薄膜制备工艺的优化处理,实现水性、有机溶剂和生物样品的稳定可靠操作,液滴可被连续移动、合并、拆分达数千次以上,达到实用的效果。就已公开的信息来看,南科大开发的400电极阵列芯片原型在电极规模、自动化程度和液滴驱动稳定性、可靠性等方面,处于国际领先水平。

在基金委重大科研仪器研制项目的支持下,合作团队计划用五年时间,开发1000X1000(含一百万电极)超大规模有源矩阵数字液滴微流控芯片平台及软硬件控制系统,实现全自动并行操控1万个以上液滴,构建国际领先的高通量全自动仪器。辅以特种应用平台所需的各种特定功能,项目团队将广泛开展液滴中央处理器芯片及平台系统的应用研究,包括但不限于基因和蛋白质组学分析、单细胞分选与组学分析、临床诊断的即时检测、合成生物学、多糖合成、毒素和病菌的侦测和识别、环境监控、新药品筛选和精细化工合成等。


大规模有源矩阵芯片及平台构成及仪器潜在应用


与电子系统中央处理器(CPU)类比,项目拟开发的是可普遍适用的数字微流控液滴中央处理器芯片平台 (central fluid processing unit,简称CFPU)。利用电润湿现象或介电泳力,有源矩阵电路可以在不干涉其它液滴的情况下,通过下置电极对大型阵列中的任一液滴进行定位与操控,从根本上实现了对液滴的灵活操控,为微流控芯片在功能和易用性方面带来许多突破。首先,液滴流体中央处理器芯片可作为一个通用的流体操控平台。改变液滴中的成分,芯片上可完成众多不同的应用。通过有选择地定位阵列中的电极,液滴中央处理器芯片可随时进行动态构建,以完成预设应用程序内的特定任务,具备了非常好的通用性。其次,芯片有同时处理大量并行化学和生物反应的能力。在有源矩阵电路的驱动下,可以同时控制多个液滴。有源矩阵电路可轻易扩展至数千行和列的规模,直接操控成千上万个液滴。这对于大规模且复杂的生物分析任务来说,可极大的降低实验的人力和时间成本。


拟开发液体中央处理器与电子中央处理器的类比


国家自然科学基金委员会设立国家重大科研仪器研制项目旨在面向科学前沿和国家需求,以科学目标为导向,资助对促进科学发展、探索自然规律和开拓研究领域具有重要作用的原创性科研仪器与核心部件的研制,以提升我国的原始创造能力。该基金委重大科研仪器研制项目的实施将实现重要的微流控芯片技术和成熟的电子芯片技术的深度对接,不仅能向从事生物医学研究和应用的终端用户提供一种极具变革性工具,也能为国家产业转型创造重要契机。

 

供稿:科研部、材料系

编辑:刘馨

主图设计:丘妍