一种基于组合荧光编码的液滴高通量筛选方法及其应用

本申请涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于组合荧光编码的液滴高通量筛选方法及其应用。

背景技术：

1、高通量筛选现如今广泛应用于药物筛选和反应优化过程中，因为这两者往往都要通过大规模筛选来得到理想的结果。传统的高通量筛选一般是在孔板中进行，集成了用于液体和平板处理的机器人、灵敏的检测器和用于数据处理和控制的软件。但是这种通量的提高是建立在成本的提升上的。更关键的是，这种方法受到蒸发的限制已经无法将体积做到更小。近二十年，液滴微流控技术在基本实验室操作自动化方面取得了重大进展。每个液滴可以被识别为一个皮升级别的微型反应室，同时液滴的产生相对简单，体积、成分和产量范围都很大。它们可以被储存、运输和分析，从而促进模块化操作。因而，液滴微流控技术能够将化学和生物分析转化为在常规实验室工作流程中无法实现的规模和速度。由于液滴微流控技术的这些特点，其可以提供进一步降低试剂损耗和设备的小型化，具有更高的产量，更低的成本，并且没有蒸发问题，这使液滴微流控技术有望替代出传统的方法成为下一代高通量筛选方法但也正是由于液滴的体积小和产量大，导致了它的一个劣势：液滴难以追踪和区分。同时目前的液滴制备方法，无法快速的生成上千种不同内容物的液滴库。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，为解决现有技术中的技术问题，本发明旨在解决液滴高通量筛选领域中的两大难题：液滴寻址和大规模液滴库(包含不同内容物)的生成。为此，本申请搭建一个基于组合荧光编码的液滴高通量筛选平台(cobs)，来拓宽液滴高通量筛选的应用前景。本发明通过液滴的配对和融合，实现了自动化的实验操作，一个小时内可以进行百万次的实验。同时根据组合荧光编码技术和液滴电融合技术，保证快速生成和识别拥有上千种内容物组合的液滴库，从而满足高通量筛选以及大规模实验需求。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本申请第一方面提供一种微流控芯片，所述微流控芯片包括基片，所述基片上形成有三大模块：主液滴生成模块，液滴组合模块，液滴融合模块依次通过主通道相连通；

3、所述主液滴生成模块用于生成主液滴；

4、所述液滴组合模块包括一个或多个编码腔，数量由需要向主液滴中添加的组分数决定，所述编码腔用于向主通道提供编码液滴，所述编码液滴适于与主液滴依照所需比例在主通道内会合，形成液滴组合；

5、所述液滴融合模块用于对所述液滴组合施加电压使其融合，获得组合液滴；

6、所述主通道末端设有出样口，出样口用于输出组合液滴。

7、本申请第二方面提供一种基于组合荧光编码的微流控标记系统，包括第一方面所述的微流控芯片，还包括：解码元件，若干编码液滴，和反应液中的一种或多种的组合。

8、本申请第三方面提供一种适于高通量筛选的微流控标记方法，采用第一方面所述微流控芯片或第二方面所述的微流控标记系统，包括以下步骤：

9、1)制备反应液和编码液滴；

10、2)将编码液滴注入所述微流控芯片的编码腔，反应液注入所述微流控芯片的水相通道，驱动水相通道和主液滴生成油相通道逐滴输出主液滴，驱动各所述编码腔和编码油相通道向主通道逐滴输出编码液滴，以使各所述编码液滴与主液滴在主通道内会合得到特定比例的液滴组合；

11、3)利用所述液滴融合模块对液滴组合施加电压，使其液滴组合融合并获得组合液滴；

12、4)读取组合液滴的编码信息。

13、本申请第四方面提供一种高通量筛选方法，采用第三方面所述的微流控标记方法进行，所述反应液为反应体系中固定的组分，所述待标记物为待筛选或优化的组分，将所述组合液滴在适合其反应的条件下完成反应并进行生化检测，根据组合液滴的编码信息及其对应的生化检测结果，筛选确定优选的待标记物的条件。

14、本申请第五方面提供第一方面所述的微流控芯片或第二方面所述的微流控标记系统或第三方面所述的微流控标记方法或第四方面所述的高通量筛选方法在高通量筛选、生物检测、化学检测或化学反应成分优化中的用途。

15、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

16、1、相较于现如今传统的高通量技术，本系统可以降低上百倍的试剂损耗，减少时间和人力成本，并将笨重的移液操作设备集成在一块几厘米大的芯片上。

17、2、与其他类似的液滴技术相比，本发明在通量上可以做到更高，达到百万量级每小时，编码空间更大，一次最少可识别6561种条件。

18、3、本发明不需要用到昂贵的筛选设备，比如：流式细胞仪等，并可以适用于大部分生物和化学实验。

技术特征：

1.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括基片，所述基片上形成有三大模块：主液滴生成模块(1)，液滴组合模块(2)，液滴融合模块(3)，依次通过主通道(4)相连通；

2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述主液滴生成模块(1)采用流动聚焦的设计，包括水相通道(11)和主液滴生成油相通道(12)，水相通道(11)和主液滴生成油相通道(12)相交，水相通道(11)用于装载反应液，主液滴生成油相通道(12)用于装载油相来切断水相，生成主液滴，主通道(4)连接于水相通道和油相通道的交汇点；

3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，液滴组合模块(2)包括编码腔(21)、编码油相通道(22)及编码腔通道(23)，所述编码腔(21)用于装载编码液滴，所述编码油相通道(22)用于装载油相，所述编码油相通道(22)与编码腔(21)均经编码腔通道(23)连通主通道(4)。

4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述编码液滴以荧光的波段及强度为编码信息，不同编码腔(21)用于装载带有不同荧光波段的编码液滴。

5.如权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，装载于同一编码腔(21)中的各编码液滴荧光波段相同，荧光强度为一种或多种；

6.一种基于组合荧光编码的微流控标记系统，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的微流控芯片，还包括：解码元件，若干编码液滴，和反应液中的一种或多种的组合。

7.如权利要求6所述的微流控标记系统，其特征在于，各所述编码液滴包括荧光染料和待标记物；

8.如权利要求7所述的微流控标记系统，其特征在于，各所述编码液滴的编码信息包括荧光染料的种类和浓度，不同编码信息对应不同的待标记物。

9.如权利要求7所述的微流控标记系统，其特征在于，所述编码液滴的编码容量为不同种类的荧光染料的浓度梯度之积。

10.一种适于高通量筛选的微流控标记方法，采用如权利要求1～5所述微流控芯片或权利要求6～9任一项所述的微流控标记系统，包括以下步骤：

11.如权利要求10所述的微流控标记方法，其特征在于，

12.一种高通量筛选方法，采用如权利要求10～11任一所述的微流控标记方法进行，所述反应液为反应体系中固定的组分，所述待标记物为待筛选或优化的组分，将所述组合液滴在适合其反应的条件下完成反应并进行生化检测，根据组合液滴的编码信息及其对应的生化检测结果，筛选确定优选的待标记物的条件。

13.如权利要求1～5所述的微流控芯片或如权利要求6～9任一所述的微流控标记系统或如权利要求10～11所述的微流控标记方法或如权利要求12所述的高通量筛选方法在高通量筛选、生物检测、化学检测或化学反应成分优化中的用途。

技术总结
本申请涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于组合荧光编码的液滴高通量筛选方法及其应用。本申请提供一种微流控芯片，包括基片，基片上形成有三大模块：主液滴生成模块，液滴组合模块，液滴融合模块，依次通过主通道相连通；主液滴生成模块用于生成主液滴；液滴组合模块包括一个或多个编码腔，液滴组合模块用于向主通道提供编码液滴，编码液滴适于与主液滴在主通道内会合，形成液滴组合；液滴融合模块用于对液滴组合施加电压使其融合，获得组合液滴。本申请通过液滴的配对和融合，实现了自动化的实验操作，一小时内能进行百万次的实验，保证快速生成和识别拥有上千种内容物组合的液滴库，从而满足高通量筛选及大规模实验需求。

技术研发人员：刘一凡,朱佳伟,张蓉
受保护的技术使用者：上海科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13