[发明专利]一种具有皮升级精度的自动化微液滴阵列筛选系统的使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及的领域为高通量筛选领域，特别涉及一种具有皮升级精度的自动化微液滴阵列筛选系统的使用方法。

背景技术

高通量筛选系统起源于药物筛选的研究，它主要以96或者384孔板为阵列化反应器，通过自动化机器人进行液体分配和试样混合，采用高灵敏、高速的检测装置和数据处理软件对实验结果进行分析和处理，实现每天至少10,000样的筛选通量。由于其强大的筛选和分析功能，高通量筛选技术的应用范围已从药物筛选扩展到生物学、医学、化学等多个科学领域。然而，随着新的靶标和样本量的迅速增加，基于多孔板的商品化高通量液体处理与筛选系统逐渐面临巨大的挑战。用于筛选的化合物主要来源于人工合成或从天然产物中分离纯化得到，成本较高。目前，基于多孔板的高通量筛选系统的试样消耗体积在1-100微升。如果能在皮升至纳升级的水平上操纵液体，来对样品进行筛选，则有可能将其成本降低1000-100000倍。因此，无论是在工业界还是在学术界，大量的研究均集中在高通量筛选系统的微型化。比如，英国Douglas 公司研制OryxNano系列液体处理装置的最小液体处理体积是100 纳升（http://www.douglas.co.uk/oryxnano.htm）。英国TTP LabTech 公司研制的Mosquito 系列液体处理装置的最小液体操纵体积达到25 纳升（www.ttplabtech.com/products/mosquito/）。这些仪器的应用显著的降低了筛选和研发的成本。然而，目前仍然缺少可在几个纳升甚至皮升级体积上进行液体操纵和高通量筛选的技术和装置。

皮升级高通量筛选的研究难点主要体现在：1）现有仪器设备难以在皮升级进行可靠的液体操纵，比如准确液体量取、液体转移、试样混合等；2）随着液体体积的缩小，蒸发效应显著增加。比如在典型实验室条件下，一个皮升级的水相液滴会在1秒内完全挥发；3）微体系下的液体具有极大的比表面积，由于水/气界面和水/固界面上的分子自组装或者非特异性作用，容易引起生物活性分子的失活、损失以及交叉污染，从而导致筛选结果的假阳性或者假阴性。

基于液滴的微流控技术是近年来高通量筛选微型化研究领域中的热点之一。它通过微米级通道中多相流体的控制，实现大批量油包水或水包油型液滴微反应器的生成、试样混合、反应、以及分析鉴定。液滴反应器的尺寸可在飞升级至纳升级灵活调节，从而可能实现超低消耗的高通量筛选。由于油相的包裹和保护作用，有效抑制了液滴反应器的溶剂蒸发和稀释作用，以及样品间的交叉污染。利用生物兼容性表面活性剂分子的自组装效应，可以给生化筛选反应提供一个温和均一的微环境，有利于提高分析筛选的准确性。同时，液滴反应器微小的体积有利于加速物质间的传质，提高反应效率。因此，基于液滴的微流控技术因其优异的特性有可能成为新一代的高通量筛选技术。

目前，基于液滴的微流控筛选方法主要有三种，分别为液滴储存器方法、滑动芯片方法、以及液滴组装方法。液滴储存器是首先采用逐个抽取的方法将不同的待筛选样品溶液装载至毛细管中形成液滴，然后将该毛细管与微流控芯片通道连接，通过芯片上的T型接口将靶标溶液注入到液滴中触发反应，最后将形成的液滴反应器收集至另外一个毛细管中进行孵育反应和检测（Zheng B., Ismagilov R. F. Angew. Chem., Int. Ed., 2005, 44, 2520）。滑动芯片方法则首先在下片的阵列化微孔中装入待筛选样品形成液滴，然后滑动上片使上片微通道中的靶标试剂溶液与下片的液滴混合，进行触发反应和筛选（Du W. B., Li L., Nichols K. P., Ismagilov R. F. Lab Chip, 2009, 9, 2286）。然而，上述两种方法均需要手动的液滴装载、毛细管和芯片通道的连接，以及精密的芯片滑动操作，难以应用于大规模样品的筛选。液滴组装方法利用自动化的样品管和试剂管的快速切换，在液滴形成的过程中完成待筛选样品和试剂的混合，然后将液滴储存至毛细管和芯片上进行反应和检测（Du W. B., Sun M., Gu S. Q., Zhu Y., Fang Q. Anal. Chem., 2010, 82, 9941；方群，杜文斌，孙蒙，基于液滴顺序组装技术的微流控液滴生成系统及使用方法，中国发明专利，申请号：201010250945.0）。尽管液滴顺序组装技术解决了液滴筛选的自动化和大规模样品筛选的难题，但是由于含有样品和试剂的液滴的生成采用了逐个组装方法，其筛选速度难以提高。另外，由于微型化带来的尺寸效应，上述几种液滴筛选方法都难以在皮升级体积进行生化筛选测定。