嵌入式数字微流控荧光液滴分选平台

搭建了基于嵌入式系统的数字微流控芯片操纵平台,实现对片上液滴的自动化配发、检测和分选。将特定电极阵列结构的介电润湿(EWOD)芯片通过特制电路和基于STM32的控制电路结合,并利用荧光显微镜提供的光路,完成分选平台的硬件搭建。移植嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅲ到STM32芯片中,根据分选功能需求,划分功能任务,设计各任务程序及任务间通信方式,实现在芯片上按一定频率从包含荧光与非荧光微粒的混合液体中生成小液滴,并将小液滴运输至检测区,根据其荧光强度对其进行分选。本系统实现了对数字微流控芯片的自动化操控,为将数字微流控技术应用于细胞、蛋白质、微生物等领域的分选提供了便利。

集成化荧光激活液滴分选系统研究

高通量的荧光激活液滴分选技术在大规模生化试验中能够显著降低实验成本,缩短实验时间,因此在微生物菌株筛选、新药研发、高通量单细胞研究等众多领域具有广泛的应用。然而,目前使用的荧光激活液滴分选系统大多基于光学试验器件搭建,系统的灵活性、稳定性相对较差,搭建的技术门槛较高,限制了该技术在生命科学研究等领域的推广应用。设计一种集成化的荧光激活液滴分选系统,通过特定光路设计,系统所需的荧光激发和探测光路实现集成化、模块化封装,荧光激发和探测功能模块缩小到160 mm×143 mm×54 mm,大幅缩减系统体积。可以通过给普通显微镜增加功能模块的方式,快速实现分选系统的搭建,从而提高荧光激活液滴分选技术的易用性。相比现有文献报道的荧光激活液滴分选系统,成本下降到1/5,体积减小为1/40,有利于该技术的工业化推广。

深度学习驱动的液滴微流控单细胞分选系统

单细胞操作和分析对于研究许多基本生物学过程和揭示细胞异质性至关重要,并且在生物医学领域具有巨大的应用潜力。液滴微流控技术在单细胞分析方面具有显著优势。研制了一种深度学习驱动的液滴微流控单细胞分选系统,主要以液滴内所包含的生物样本种类以及数量作为标准分选目标液滴。根据实验需求制作好相应生物样本的数据集,在服务器上训练好对应的网络模型,并将该网络模型转移到NVIDIA Jetson TX2开发板上,利用该网络模型对实验过程中拍摄到的液滴图像进行实时检测判断,最后根据算法对包含特定物质的液滴进行分选,从而得到目标液滴。此方法能够有效地判断并分选出液滴内图像特征有差异的不同生物样本,可以实现对包含单个及2个细胞液滴的分选。该研究为液滴微流控单细胞分选技术在生物学和医学等领域的广泛应用提供了支撑。

基于荧光检测的高通量筛选技术和装备助力细胞工厂构建

微生物工业制造是以微生物细胞工厂为核心,利用低成本、可再生资源为原料,实现高附加值化合物的绿色生产。依赖于“设计-构建-测试-学习”(DBTL)循环的微生物细胞工厂开发过程中“测试”阶段已成为制约合成生物学和代谢工程发展的瓶颈之一。基于微量滴定板(MTP)高通量自动化筛选平台极大降低了高通量筛选过程的劳动强度,流式细胞术和液滴微流控技术的发展大幅度提高了筛选通量。尤其是荧光激活液滴分选(FADS)高通量筛选技术的开发为自动化、高通量和低消耗筛选工作提供了新的解决方案。本文综述了不同高通量筛选技术在合成生物学和代谢工程领域应用的主要进展,重点介绍了近几年荧光激活细胞分选技术(FACS)和FADS在微生物细胞工厂和酶定向进化方面的应用实例,关注了待测分子与荧光信号偶联的常用策略,并简单介绍目前国内外基于液滴微流控技术高通量筛选装备的研发情况。

高通量筛选系统在定向改造中的新进展

酶和细胞工厂是工业生物技术的核心,在医药、化工、食品、农业、能源等诸多领域发挥重要作用。一般天然酶和细胞均需通过分子改造提高其催化效率、稳定性及立体选择性等。定向改造为快速改善酶和细胞工厂的性能提供了可能性,其中灵敏可靠的高通量筛选方法是决定酶和细胞工厂成功高效定向改造的关键。文中阐述并分析讨论了各种筛选方法的优缺点、适用范围以及信号产生策略,并总结了近3年超高通量筛选技术在酶和细胞工厂定向改造中的最新研究进展。在此基础上,讨论了高通量筛选系统目前面临的限制性因素,并对高通量筛选方法未来的发展趋势作出了展望。希望生物技术和仪器开发等各领域的研究者能够紧密合作,实现协同发展,进一步提升高通量筛选技术的可靠性和适用性。