化学学报 ›› 2022, Vol. 80 ›› Issue (5): 679-689.DOI: 10.6023/A21120610 上一篇    下一篇

综述

基于微流控热泳的生物传感技术

刘超a, 田飞a, 邓瑾琦a, 孙佳姝a,b,*()   

  1. a 国家纳米科学中心 北京市纳米生物医学检测工程技术研究中心 北京 100190
    b 中国科学院大学 北京 100049
  • 投稿日期:2021-12-31 发布日期:2022-05-31
  • 通讯作者: 孙佳姝
  • 作者简介:

    刘超, 国家纳米科学中心研究员. 2010年6月于河北工业大学获得工学学士学位, 2016年1月于中国科学院大学获得理学博士学位, 2016年加入国家纳米科学中心. 主要研究方向为微流控分离分析与肿瘤液体活检.

    田飞, 国家纳米科学中心特别研究助理. 于2011年6月获得河北工业大学工学学士学位, 于2019年6月获得河北工业大学工学博士学位. 主要研究方向为基于微流控技术的循环肿瘤靶标分离分析与病原体检测.

    邓瑾琦, 国家纳米科学中心任特别研究助理. 于2016年6月在武汉大学化学与分子科学学院取得理学学士学位, 于2021年6月在中国科学院大学中丹学院取得理学博士学位, 专业为纳米科学与技术. 研究方向为基于微流控技术的生化分析.

    孙佳姝, 国家纳米科学中心研究员, 国家杰出青年科学基金 (2020年)和国家优秀青年科学基金获得者(2016年). 主要研究方向为微流控分离分析技术与纳米生物医学研究. 提出了微流控热泳测量的新理念, 实现循环肿瘤标志物的高灵敏定量检测. 已发表SCI收录论文90余篇, 引用5,600余次, 并多次被Nature子刊等作为研究亮点报道. 有10余项微流控相关发明专利授权.

    庆祝中国科学院青年创新促进会十年华诞.
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2020YFA0210800); 国家重点研发计划(2021YFA0909400); 国家自然科学基金(22025402); 国家自然科学基金(91959101); 国家自然科学基金(21904028); 国家自然科学基金(22104026); 国家自然科学基金(22174030); 中国科学院战略性先导科技专项(XDA16021200)

Thermomicrofluidic Biosensing Systems

Chao Liua, Fei Tiana, Jinqi Denga, Jiashu Suna,b()   

  1. a Beijing Engineering Research Center for BioNanotechnology, National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190
    b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
  • Received:2021-12-31 Published:2022-05-31
  • Contact: Jiashu Sun
  • About author:
    Dedicated to the 10th anniversary of the Youth Innovation Promotion Association, CAS.
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2020YFA0210800); National Key R&D Program of China(2021YFA0909400); National Natural Science Foundation of China(22025402); National Natural Science Foundation of China(91959101); National Natural Science Foundation of China(21904028); National Natural Science Foundation of China(22104026); National Natural Science Foundation of China(22174030); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA16021200)

复杂生命体系中关键分子及微纳生物粒子的高灵敏、高特异检测, 对理解多层次多尺度生物学过程、阐明疾病发生发展机制和探索新型生物标志物等具有重要意义. 微流控生物传感器整合了微流控技术和生物传感技术的诸多优势, 在微量生物样本精准测量方面取得了显著进展. 近年来, 微流控热泳生物传感技术(Thermomicrofluidic biosensing)利用物质在局域温度梯度场中的热泳定向迁移现象, 并结合均相生物传感及信号放大新策略, 实现了复杂样本中生物分子及微纳生物粒子的快速、高灵敏、原位检测. 重点阐述了以热泳为核心的微流控传感技术, 包括微量热泳、热泳-对流耦合、热泳-扩散泳耦合以及热泳-电泳耦合等方法, 总结了不同传感方法的原理、特点及其在生物分子(蛋白、核酸等)与微纳生物粒子(细胞外囊泡、病毒、细胞等)检测中的应用, 并探讨了微流控热泳技术在生物医学检测领域中面临的挑战与未来发展方向.

关键词: 热泳, 微流控, 多物理场耦合, 生物传感

The sensitive and specific detection of key molecules and biological micro/nanoparticles in complex biological systems is of great significance for understanding biological processes at multiple levels and scales, uncovering the mechanisms of disease onset and development, and exploring novel biomarkers. Microfluidic biosensors with advantages of microfluidics and biosensing have made significant progress in the precise detection of biological samples with small volumes. Recent years, thermomicrofluidic biosensing that combines thermophoretic migration in a temperature gradient and homogenous signal amplification strategies has realized rapid, sensitive, in situ detection of biomolecules and biological micro/ nanoparticles in complex biological systems. Different thermomicrofluidic biosensing strategies, including microscale thermophoresis (MST), thermophoresis-convection coupling, thermophoresis-diffusiophoresis coupling, and thermophoresis-electrophoresis coupling were presented. The fundamentals, features, and applications of these strategies in detecting biomolecules (protein, nucleic acids, etc.) and biological micro/nanoparticles (extracellular vesicles, viral particles, cells, etc.) were summarized. The challenge and future directions for the application of thermomicrofluidic sensing in biomedical detection were discussed.

Key words: thermophoresis, microfluidic, multi-physics coupling, biosensing