基于微流控热泳的生物传感技术※

doi:10.6023/A21120610

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

所属专题：中国科学院青年创新促进会合辑

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^,^*()

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 Liu^a, Fei Tian^a, Jinqi Deng^a, Jiashu Sun^a^,^b()

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)

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摘要/Abstract

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

引用此文

刘超, 田飞, 邓瑾琦, 孙佳姝. 基于微流控热泳的生物传感技术^※[J]. 化学学报, 2022, 80(5): 679-689.

Chao Liu, Fei Tian, Jinqi Deng, Jiashu Sun. Thermomicrofluidic Biosensing Systems^※[J]. Acta Chimica Sinica, 2022, 80(5): 679-689.

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图/表 13

加热方式	激光波长/nm	功率密度/(mW•μm^–2)	温度梯度/(K•μm^–1)	检测温度/℃	应用	文献
水体加热	1480	—	≈0.1	<35	生物分子、EV蛋白检测	[37⇓⇓⇓-41]
水体加热	1480	≈0.01	0.3~1	28~42	EV蛋白/核酸、病毒抗原检测	[50,53 -54,56 -57,63]
Cr基底加热	1064	—	≈0.1	33	DNA检测	[64]
Cr基底加热	808	≈0.01	≈1.8	≈30	淀粉样纤维生长动力学研究	[44]
Au基底加热	532	<0.1	≈0.6	25	原位SERS	[69]
Au基底加热	532	≈0.02	5~30	33	单颗粒操控与暗场光学表征	[70]
Au基底加热	532	0.06	3.5~8.5	27	单细胞操控	[71]

表1. 微流控热泳温度梯度产生方法

Table 1. Methods of generating temperature gradient in thermomicrofluidic biosensing systems

图1. 基于微流控热泳的生物传感

Figure 1. Thermomicrofluidics for biosensing Figure partially created using BioRender

图2. 微量热泳技术(MST)的工作原理通过检测物质在微观温度梯度场中的热泳运动及荧光强度变化, 实现靶标的定量检测

Figure 2. Working principle of microscale thermophoresis (MST) The quantitative detection of targets relies on the monitoring of thermophoresis-induced fluorescence distribution at the laser heating region

颗粒分子	尺寸	溶液环境	Soret系数/K^–1	文献
聚苯乙烯颗粒 (羧基修饰)	200 nm	1 mmol•L^–1 Tris	0.7	[28]
聚苯乙烯颗粒 (羧基修饰)	92 nm	水	0.23	[29]
聚苯乙烯颗粒	100 nm	10 mmol•L^–1 Tris	0.35	[60]
聚苯乙烯颗粒	100 nm	10 mmol•L^–1 Tris+PEG 6K (w=5%)	–1.5	[60]
SDS胶束	5 nm	10 mmol•L^–1 NaCl	0.024 (25 ℃)	[51]
CTAC胶束	—	水	≈0.1	[32]
HepG2 EVs	≈100 nm	PBS	0.03	[69]
Aβ40 fibril	≈2 μm	6 mmol•L^–1 NaCl (pH=8.4)	≈2.6	[44]
溶菌酶	14 kDa	100 mmol•L^–1 NaCl (pH=4.65)	0.0013 (27 ℃)	[30]
DNA (SYBR Green I 标记)	5.6 kbp	10 mmol•L^–1 Tris (pH=7.8)	0.14 (24 ℃)	[24]
λ-DNA (SYBR Green I 标记)	48.5 kbp	10 mmol•L^–1 Tris (pH=7.8)	0.4	[31]
PEG	6 kDa	10 mmol•L^–1 Tris	0.046	[60]

表2. 常见颗粒和分子的Soret系数

Table 2. Soret coefficient for common molecules and particles

图3. 微量热泳(MST)的生物分子检测 (a)基于MST的血清Ro抗体检测与系统性红斑狼疮诊断. 已获得参考文献[38]的转载许可, 版权所有© 2020 Elsevier. (b)基于MST的肌球蛋白水解ATP过程中无机磷酸盐(Pi)产物实时检测. 已获得参考文献[39]的转载许可, 版权所有© 2020 Elsevier. (c)基于MST的DNA杂交亲和力与反应动力学测量. 已获得参考文献[40]的转载许可, 版权所有© 2021 Wiley-VCH GmbH

Figure 3. Microscale thermophoresis (MST)-based biosensing (a) MST-detection of serum Ro antibody for the diagnosis of systemic lupus erythematosus. Reprinted with permission from Ref. [38]. Copyright © 2020 Elsevier. (b) MST for real-time detection of inorganic phosphate (Pi) during ATP turnover by myosin. Reprinted with permission from Ref. [39]. Copyright © 2020 Elsevier. (c) MST for simultaneous measurement of binding affinity and kinetics. Reprinted with permission from Ref. [40]. Copyright © 2021 Wiley-VCH GmbH.

图4. 热泳-对流耦合的传感原理温度梯度引发趋向冷端的定向热泳与环形自然对流, 使靶标快速、稳定汇聚在微腔室底面低温处

Figure 4. Mechanism of biosensing based on thermophoresis-convection coupling The thermophobic thermophoresis and toroid natural convection induced by the localized temperature gradient result in rapid accumulation of biomolecules and bioparticles at the cold bottom region

图5. 基于热泳-对流耦合的细胞外囊泡(EV)蛋白检测 (a)基于热泳适体传感器(TAS)的肿瘤EV表面蛋白检测. 已获得参考文献[51,53]的转载许可, 版权所有© 2019 Nature Publishing Group和© 2021 Nature Publishing Group. (b)基于热泳-对流耦合的EV表面DNA逻辑运算. 已获得参考文献[54]的转载许可, 版权所有© 2021 American Chemical Society.

Figure 5. Detection of proteins of extracellular vesicles (EVs) by thermophoresis-convection coupling (a) Thermophoretic aptasensor (TAS) for profiling surface proteins on tumor EVs in EV-based liquid biopsy. Reprinted with permission from Ref. [51,53]. Copyright © 2019 Nature Publishing Group and © 2021 Nature Publishing Group. (b) Thermophoresis-mediated DNA computation for the detection of multiple protein markers on single EVs. Reprinted with permission from Ref. [54]. Copyright © 2021 American Chemical Society.

图6. 基于热泳-对流耦合的EV RNA检测 (a)结合纳米耀斑(Nanoflare)的热泳传感器(TSN)用于EV miRNA的原位检测. 已获得参考文献[56]的转载许可, 版权所有© 2020 American Chemical Society. (b)结合能量共振转移DNA四面体探针(FDT)的热泳传感器(DTTA)用于EV mRNA的高灵敏测量. 已获得参考文献[57]的转载许可, 版权所有© 2021 Elsevier.

Figure 6. Detection of EV RNAs by the coupling of thermophoresis-convection coupling (a) Thermophoretic sensor implemented with nanoflares (TSN) for in situ detection of EV miRNAs and detection of estrogen receptor-positive (ER+) breast cancer. Reprinted with permission from Ref. [56]. Copyright © 2020 American Chemical Society. (b) Thermophoretic sensor implemented with FRET-based DNA tetrahedron (DTTA) for in situ, sensitive detection of EV mRNA and precise diagnosis of prostate cancer. Reprinted with permission from Ref. [57]. Copyright © 2021 Elsevier.

图7. 热泳-扩散泳耦合的传感原理温度梯度引起溶质分子(通常是聚合物)热泳并形成分子浓度梯度, 目标颗粒颗粒受到指向低溶质浓度方向(即指向热端)的扩散泳力.

Figure 7. Mechanism of biosensing based on thermophoresis-diffusiophoresis coupling Localized temperature gradient induces a solute concentration gradient, and the resulting diffusiophoresis drives particles toward the hot region.

图8. 基于热泳-扩散泳耦合的生物传感 (a)基于核酸适体识别与PEG增强的微流控热泳传感器, 用于新冠病毒一步法快速检测. 已获得参考文献[63]的转载许可, 版权所有© 2021 American Chemical Society. (b)基于核酸探针与PEG的DNA热泳检测. 已获得参考文献[64]的转载许可, 版权所有© 2015 American Chemical Society.

Figure 8. Biosensing mediated by the thermophoresis-diffusiophoresis coupling (a) One-step PEG-enhanced thermophoretic assay for detection of SARS-CoV-2 viral particles. Reprinted with permission from Ref. [63]. Copyright © 2021 American Chemical Society. (b) PEG-enhanced thermophoretic detection of target DNA by the size-dependent accumulation of sandwiched hybrid of target DNA, DNA-modified AuNP, and FITC-labeled DNA. Reprinted with permission from Ref. [64]. Copyright © 2015 American Chemical Society.

图9. 热泳-电泳耦合的传感原理温度梯度导致具有差异化热泳迁移速率的正负离子发生空间分离, 产生静电场(热电场, Thermoeletric field). 靶标分子或生物颗粒在热电场中发生电泳定向迁移.

Figure 9. Mechanism of biosensing based on thermophoresis-electrophoresis coupling Localized temperature gradient can induce a thermoelectric field upon the differentiated thermophoretic mobility of positive and negative charge, subsequently resulting in electrophoresis of analyte for manipulation and sensing.

图10. 基于热泳-电泳耦合的传感与生物颗粒操控 (a)基于热泳光镊的原位表面增强拉曼散射(SERS). 已获得参考文献[69]的转载许可, 版权所有© 2016 American Chemical Society. (b)基于热泳光镊的细胞及脂质囊泡精准操控. 已获得参考文献[71,72]的转载许可, 版权所有© 2017 American Chemical Society和© 2018 American Chemical Society.

Figure 10. Sensing and bioparticle manipulation based on thermophoresis-electrophoresis coupling (a) Thermophoretic tweezer for plasmonic nanoparticle assembly and in situ surface-enhanced Raman scattering (SERS). Reprinted with permission from Ref. [69]. Copyright © 2016 American Chemical Society. (b) Thermophoretic tweezer for real-time and programmable manipulation of cells and lipid vesicles. Reprinted with permission from Ref. [71,72]. Copyright © 2017 American Chemical Society and Copyright © 2018 American Chemical Society.

传感原理	优势	局限性	适用靶标与应用场景	主要设计因素	文献
微量热泳技术	应用靶标范围广	灵敏度较低、方法单一	蛋白、核酸、生物小分子、 EV测量	探针类型、基团修饰、缓冲液性质	[37⇓⇓⇓-41]
热泳-对流耦合	灵敏度高、无需复杂前处理	依赖靶标自身热泳性质	EV蛋白/核酸检测	靶标与探针尺寸差别、芯片高度、导热性质	[50,53 -54,56 -57]
热泳-扩散泳耦合	不依赖靶标自身热泳性质、检测速度快	汇聚范围小、灵敏度较低	病毒颗粒、DNA检测	靶标与探针尺寸差别、 PEG浓度、分子量	[63-64]
热泳-电泳耦合	单颗粒操控、空间分辨率高	芯片成本高、激光光路设计复杂	单细胞、单纳米颗粒操控	颗粒自身电学性质、电解质种类	[69⇓⇓-72]

表3. 微流控热泳传感技术总结

Table 3. Summary of different thermomicrofluidic biosensing strategies

参考文献 72

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