高通量生物分析: 电动动力学微设备的突破!

【研究背景】

电动动力学微系统是结合流体动力学和电场诱导力的创新技术，因其在生物样本操控与分析方面的应用潜力而备受关注。这类微系统可用于细胞分离、病毒检测和蛋白质分析等领域，与传统的生物处理方法相比，电动动力学微设备具有高通量、快速处理和对未经处理样本的直接处理等优点。然而，尽管这些技术展示出巨大的应用前景，但在实际应用中仍存在诸如设备设计复杂性、性能稳定性以及商业化转化等挑战。

近日，来自洛桑联邦理工学院的Carlotta Guiducci课题组在电动动力学微设备的研究中取得了新进展。该综述系统地总结了电动动力学力生成的基本物理现象，阐明了影响微设备设计的关键因素，如电场、流体特性及生物颗粒的性质等。此外，研究团队还探讨了如何在微设备中实现高效的生物颗粒操控与分离，提出了优化电动动力学微设备的新方法。

利用先进的微制造技术，该团队显著提高了电动动力学微设备的性能，成功获取了每秒高达106个颗粒的处理速度，展现出其在生物医学检测和体外诊断中的应用潜力。这一研究不仅为电动动力学微系统的设计与优化提供了理论支持，还为其商业化推广指明了方向。通过克服批量生产和系统接口优化等问题，该研究有望推动电动动力学技术的广泛应用，为生物分析和临床诊断领域带来新的机遇与挑战。

【仪器亮点】

本文通过电动动力学原理和流体动力学的结合，具体来说，深入研究了电场诱导力对生物颗粒的操控机制，进而首次研发了基于电动动力学微设备的高通量分析仪器。这种新型仪器能够实现对细胞、细菌、病毒及其他生物分子的高效分离和分析，从而表征出不同生物颗粒在电场作用下的行为特征，最终揭示了电动动力学力在生物样本处理中的重要作用。

针对电动动力学在微观生物颗粒操控中的关键现象，本文通过系统的实验分析，得到了电场强度、流体流动及生物颗粒特性等多个因素对微设备性能的影响。研究结果表明，电场的大小和分布、流体的流动状态以及颗粒的物理化学特性共同决定了生物颗粒的操控效率和精确度。通过这些分析，本文深入挖掘了电动动力学微设备在体外诊断及医疗保健领域的潜在应用，提出了优化设计的建议。

在此基础上，结合电动动力学、流体动力学与微制造技术，本文通过一系列表征手段，包括电泳和介电泳实验，着重研究了新型仪器在实际应用中的表现。研究发现，该仪器能够在处理未加工样本的过程中，保持稳定的性能和高的处理通量（高达10^6个颗粒每秒），为今后相关技术的商业化铺平了道路。此外，本文还探讨了在技术转移过程中所需的批量生产和系统接口优化等重要因素，强调了这些要素对于确保仪器在实际应用中的稳定性和可靠性的必要性。

总之，本文的研究不仅推动了电动动力学微设备的理论发展，还在仪器开发和应用领域开辟了新的前景，为未来在医疗诊断和生物研究方面的创新提供了坚实的基础。

影响电动动力学微设备在生物颗粒操控中制造和操作的设计空间领域概述

文献信息：Porro, G., Ryser, T., Thiriet, PE. et al. Electrokinetic microdevices for biological sample processing. Nat Rev Electr Eng (2024). https://doi.org/10.1038/s44287-024-00099-6