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方法文章

微缩流式细胞仪原型机及其配套微流控混合技术在减重力环境中的硬件演示

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DOI：

10.3791/51743

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2014年11月13日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1DNA Medicine Institute, 2Harvard Medical School, 3NASA Glenn Research Center, 4ZIN Technologies

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

航天飞行血液诊断技术需要创新。目前公开发表的关于在轨飞行和微重力环境下健康诊断技术的演示研究较少。本文介绍一种用于构建和运行抛物线飞行测试平台的方法，该平台适用于一种便携式即时检测流式细胞仪原型的设计，其组件和制备策略可适配于其他实验装置。

摘要

直到最近，宇航员的血液样本都是在飞行过程中采集，通过航天飞机运回地球，并在地面实验室中进行分析。如果人类要前往近地轨道以外的空间，就必须转向适用于太空环境的即时检测（POC）技术。此类检测需要具备全面性，能够在微重力环境下简便操作，并且不受发射及太空飞行过程中各种应力的影响。尽管已开发出无数POC设备以模仿实验室规模的仪器，但大多数设备应用范围狭窄，且极少有设备被证明可在飞行中微重力环境下实际使用。事实上，目前在微重力条件下开展的生物医学诊断演示极为有限，这使得在测试新技术时，组件选择以及某些后勤挑战难以应对。为填补这一空白，我们提出一种模块化方法，用于构建和操作一种原型血液诊断设备及其配套的抛物线飞行测试平台，该平台符合在抛物线飞行微重力飞机上进行飞行测试的标准。该方法首先聚焦于测试平台的组装，用于在飞行中微重力环境下对流式细胞仪及配套的微流控混合芯片进行测试。组件设计可适配其他设备，其中一些定制组件，如微量样本加载器和微混合器，可能具有特别的参考价值。随后，该方法转向飞行前准备工作，提供相关指南和建议，以确保飞行测试的成功，涵盖用户培训、标准操作程序（SOP）的制定以及其他相关事项。最后，本文描述了针对我们演示实验的在轨实验操作流程。

引言

当前适用于太空环境的健康诊断技术的不足，已成为制约载人深空探索进一步发展的限制因素。理想的诊断技术应具备全面性、易于在微重力环境下使用，并且相对不受发射及太空飞行过程中各种应激因素的影响（例如，高g力、振动、辐射、温度变化和舱内压力变化）。即时检测（POCT）领域的进展有望通过更小的患者样本量（例如，指尖采血）、更简单和更小型化的流体控制系统（即，微流控技术）以及更低的电力需求等优势，转化为适用于太空飞行的有效解决方案。 流式细胞术是一种具有吸引力的在轨即时检测（POC）方法，因其技术用途广泛，可用于细胞计数和生物标志物定量分析，同时具备显著的小型化潜力。此前与太空应用相关的流式细胞仪包括：利用弧光灯诱导荧光与电子体积（库尔特体积）同步测量的“核包装效率”（NPE）仪器1-4；一种相对小型的台式流式细胞仪，实现了“在零重力条件下首次实时获取流式细胞术数据”5；一种“无鞘流微流式细胞仪”，可对经预处理的5 µl全血样本进行4项和5项白细胞（WBC）分类计数6-9；以及一种“基于光纤的”流式细胞仪，最近已在国际空间站内进行在轨测试10。

评估适用于太空环境的诊断技术通常在减重力飞机上进行，此类飞机通过近似抛物线飞行轨迹来模拟特定程度的失重状态（例如，零重力，火星重力） 11评估具有挑战性，因为飞行机会有限，重复出现的短暂微重力窗口可能难以对通常需要持续超过20-40秒不间断时间的方法或过程进行评估，且演示可能需要额外的设备，而这些设备在飞行中不易使用。 12-15此外，先前的演示表明 体外 用于或专为微重力环境设计的体外诊断（IVD）技术仍十分有限，且大量研究工作尚未公开发表。除上述流式细胞仪外，文献中描述的其他适用于太空的IVD技术还包括一种用于免疫表型分析的全血染色装置。 16一种基于自动相机的细胞计数仪 12一种用于集成电位法、安培法和电导法的手持式临床分析仪 12,17一种基于扩散混合与分离的微流控“T型传感器”装置，用于分析物定量 18以及一种旋转式“CD上的实验室”诊断平台 19,20. 初次接触微重力测试的研究人员还可参考与之无关的抛物线飞行演示 体外 在尝试实现设备评估（或确定什么）时的诊断 是 （尽可能提供）。其他先前医学或生物学实验中具有翔实飞行准备记录、在轨操作策略及飞行试验设备的演示实例也包含在内 表115, 21-35这些因素可能具有参考价值，因为其包含了手动的飞行中任务、专用设备的使用以及实验隔离措施。

类别示例
急诊医疗护理气管插管（喉镜引导，模拟人）21，心肺复苏（麻醉猪）22
外科护理腹腔镜手术（视频模拟23，麻醉猪上操作24,25）
医学影像或生理评估下体负压舱联合超声检查26，多普勒血流仪（头戴式）27，中心静脉压监测28
专用生物设备微孔板读取仪（及飞行中手套箱）29，细胞周期实验用温控系统30，显微镜（明场、相差及多通道荧光功能）15，毛细管电泳仪与视频显微镜联用装置31
其他使用镊子采收植物32，封闭饲养的大鼠33,34和鱼类35用于观察

表1. 具有详细描述方法/实验的抛物线飞行演示示例

为了进一步拓展先前的示例并深入揭示飞行中成功演示的关键因素，本文介绍了一种模块化且可灵活调整的方案，用于构建和运行原型流式细胞仪，并结合相关的微流控混合技术，作为抛物线飞行试验装置的一部分。该装置实现了样本加载、微流控混合以及荧光颗粒检测的演示，于2010年9月29日至10月1日在美国国家航空航天局（NASA）组织的“空间环境快速通达”（FAST）抛物线飞行任务中进行了机上测试。这些演示分别对应于潜在设备工作流程的起始、中间和结束阶段，即采集指尖采血量级的血液样本，与试剂稀释或混合，再通过光学检测进行分析。将流式细胞仪缩小为紧凑型装置需要技术创新和精密的部件选型。本文采用了定制与现成部件，作为最终部件选型的初步最优近似，并可为其他创新者的设计提供借鉴。在概述原型部件选型之后，描述了在支撑结构上的装置搭建过程，该结构作为试验装置组装的骨架。原型部件被分配位置并固定，同时配备实验成功所需的其他辅助组件。随后，重点转向更为抽象的操作流程，包括标准操作程序（SOP）的制定、人员培训及其他后勤安排。最后，介绍了针对具体演示的操作步骤。本文所述策略及配套装置组件（e.g.，显微镜、亚克力盒、etc.）的选择，尽管是为特定原型所设计，但反映了在微重力环境下测试任何血液诊断设备时普遍面临的问题与挑战。

在2010年的飞行任务中，原计划在4天内安排两次月球重力（实现约1/6地球重力）和两次微重力飞行，但最终调整为在3天内完成。实验在一架经过改装的私人运营窄体喷气式客机上进行36。每次飞行提供30至40次抛物线飞行，每次抛物线飞行产生约20秒的高重力状态（约1.8 g），随后是20至25秒的低重力环境。完成一半抛物线飞行后，飞机在平飞状态下暂停约5至10分钟，以便调转方向返回着陆点，并继续执行剩余的抛物线飞行。

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方案

本方案中使用的人类血液样本是在获得机构审查委员会（IRB）批准后，采用微创方法采集的（参见致谢部分）。

1. 装置组装

  1. 组装用于微重力条件下的简易流式细胞仪系统的原型组件（流体、光学、控制/数据采集电子器件）
    1. 制备一种重量轻、功耗低的压力系统，用于驱动流体控制系统
      1. 将微型气泵连接至差压传感器。
      2. 使用脉宽调制并通过自定义控制软件中的比例-积分-微分控制器调节占空比，以控制泵的输出，从而维持恒定的驱动压力（步骤 1.1.7）。
    2. 组装一个可无空气滞留加载液体的液体源容器（参见步骤 3.4）
      1. 安装一个刚性塑料小瓶（图1A带有乳胶隔膜、可牢固密封的瓶盖以及位于小瓶底部的进气管（使用光学胶密封连接）。
      2. 确保泵在无空气或液体泄漏的情况下对小瓶加压，压缩隔膜以驱动液体从帽出口管路流出。
    3. 设计一个液体废液容器，用于收集废液，同时避免产生背压，以免影响液体流动
      1. 采用瓶中瓶胶粘设计（图1B用于双重防护。
      2. 用带有固定泡沫海绵窗的瓶盖封住小瓶，该泡沫海绵窗可截留漂浮废物，同时允许瓶内外气压与舱内环境平衡。
    4. 制作用于微重力环境的样品加载装置
      1. 使用导轨组装弹簧加载夹具设计图1C）以可靠地将带有套管的毛细管夹紧在流路中的两个O形圈之间。确保在上样时保持样品体积不变，当未插入样品时可支持系统预灌注，并避免意外引入气泡。
      2. 确保在无毛细管的情况下，弹簧将O形圈压紧在一起，以连通流体通路，并实现无泄漏的灌注图1D，左侧。
    5. 设计一种不依赖动力机械子部件即可运行的微混合器
      1. 设计一种双入口螺旋涡流微混合器图1E）以实现微流控通道内克服层流所必需的混沌对流。该设计将所有进入的流体完全导至下游，确保一次样品运行不会影响下一次实验。
      2. 为方便起见，采用快速成型聚二甲基硅氧烷（PDMS）方法制备选定的设计图1F）。在洁净室设施中，使用二维计算机辅助设计、20,000 dpi 打印的光刻掩模制备所需的 SU-8 模具 37.
        注意：使用改装的23号钻头配合垂直钻铣机，在入口、涡流区、检测入口和检测出口位置钻孔，并借助手持放大镜辅助对准针头。用剃刀片从PDMS上切下芯片，并在芯片非模具面一侧的对应孔位安装0.5英寸空心钢针。使用微孔管将中心螺旋出口钢针与检测通道入口钢针连接。
      3. 用乙醇彻底清洗芯片，并用哑光透明胶带擦干模压表面。使用空注射器将乙醇从针孔中吹出。将PDMS芯片和一片洁净的盖玻片放入等离子清洗仪中处理，10秒内施加轻微压力使其键合，并立即通过光学显微镜检查，确保芯片完全贴合且通道保持通畅。
    6. 安装手掌大小的微型光学模块以检测单个流动颗粒
      1. 设计在 图2AB 适用于双色落射荧光激光照明与检测，并采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）直通道（120 × 200 µm）流动池以方便操作。
      2. 安装样品块（图2C使用市售的光机械组件，并对光纤耦合的单光子计数模块进行准直。
    7. 设计用于设备控制和数据采集的电子系统与软件
      1. 为方便早期原型制作，可使用手工焊接的部件连接到数据采集（DAQ）卡图 2D).
      2. 编写并编程自定义软件（示例在 图2E) 操作钻机设备并同步所有数据。
  2. 附加组件（非原型正式组成部分）
    1. 整合一个三维加速度计（图2D，左侧）和一个流量计（未显示）。飞机上装有加速度计，但（很可能）无法与其他记录的数据直接同步。
  3. 电力方案
    1. 一种用于快速且完全关闭电子设备的机制（出于安全考虑，在减重力飞行中必需）
      1. 将一个电源插线板（带单个电源开关）连接到飞机电源分配面板（120 VAC 60 Hz）。
      2. 移除笔记本电脑电池，并将笔记本电脑设置为仅通过电源线供电运行。
    2. 所有设备的电源
      1. 使用电源插座直接为笔记本电脑（移除电池）、光学显微镜和两个光子探测器供电。
      2. 通过连接到笔记本电脑的USB数据采集卡或使用电池为剩余设备供电。
  4. 飞行准备就绪的装置布局
    1. 飞行中成功表现的考虑因素
      1. 可用的总空间比地面类似演示所用的空间更小图 3A）。需考虑可用的总空间，以及该空间在实验装置区域（包括原型正式组件之外的部件）与装置周围用户操作区域之间的分配。实验装置在前后位置布置上可能有所不同，但这在很大程度上不会影响可用的操作空间（或飞行中的物理条件）。
      2. 确定哪些组件更适合在站立、跪姿或地面高度进行操作，同时考虑哪些组件最能从支撑结构所提供的保护中受益。
    2. 支架支撑结构
      1. 获取或搭建一个符合布局需求的垂直设备架，该设备架需容纳所有组件，具备多个垂直层级以实现有序布置，能够承受飞行过程中的加速度载荷，并能牢固地安装在目标飞机舱地板上。
      2. 将组件分配至设备机架的相应层级图 3B：上层用于放置笔记本电脑，中层用于存放原型子组件，底层用于放置额外的擦拭巾、手套和一个盛放杂物的废弃物容器。
      3. 在机架内设计额外结构以适应不同的理想高度。在“中”部高度设置支撑梁，用于固定一块2英尺×2英尺的显微镜光学平台，以便用螺丝安装装置组件；并在约高出2英尺的位置设置支撑梁，用于支撑经飞行认证的笔记本电脑托架。
      4. 在垂直层级内，确定组件的最佳布局，需考虑因其他组件的存在以及飞行器上设备自身可能的位置/朝向所导致的可及性限制例如, 4th 方形支架的一侧可能靠近飞机舱壁，导致仅有三侧可接触。
        注意：用于固定测试操作员的腿带与装置之间的距离是固定的，可能并非在所有侧面都可使用。
      5. 根据这些确定结果，将面包板划分为4个象限（图3C），将电子元件和光学模块置于靠近飞机舱壁的位置，而将样品加载器和微流控芯片朝向舱内空间。
  5. 原型固定、封闭与可视化装置
    1. 系统电子设备
      1. 设计、激光切割并组装一个定制的丙烯酸盒子（图 2D用于固定数据采集卡（牢固绑扎）和手工焊接电路板（用螺丝固定在盒壁上）。
      2. 使用可摆动的门以便于进出（飞行中用织物固定） 钩环扣件）以及用于 USB 线缆和导线的出口孔。
    2. 样品加样器
      1. 制作一个定制的丙烯酸“手套”箱（图4A）并配备臂部操作孔，以提供一个立方空间用于进行装载器演示（图4C）而不会造成机舱污染。
      2. 通过箱体侧面的小圆孔将进样管路连接至加样器并从中引出。
    3. 微混合器
      1. 改装地面使用的设备。将一台体视显微镜（图4B将定制的丙烯酸芯片固定器用螺栓固定在面包板上，并将芯片安装到该固定器中。
      2. 将USB CCD相机安装到显微镜目镜上，并将其连接至笔记本电脑（图4D以保存与其它数据（重力、驱动压力和流速）同步的视频。
    4. 光学模块
      1. 制作一个定制的不透明亚克力盒（图 4A，向右）以覆盖模块，使其免受环境光影响并控制激光危害。
      2. 利用光学滤光片“窗口”安全检测激光器功能。
    5. 笔记本电脑
      1. 将符合航空安全标准的笔记本电脑托盘固定在支撑结构内的支撑横梁上。
      2. 使用钩环紧固带沿机架结构固定 USB 线缆。
  6. 飞行中演示实施
    1. 简单的干预措施以推进示范过程
      1. 加入额外组件，以消除飞行过程中所需的手动管路调节或其他需要高度操作灵活性的步骤，从而避免液体泄漏至舱内环境的风险。
        1. 定制加工并集成压力歧管（图 5A）由一个铝制圆柱体构成，圆柱体上钻孔并攻螺纹，用于安装螺旋式针头鲁尔接头作为压力入口。在圆周上钻若干较小的孔，用于安装O形圈和微孔管作为出口。可用于同时对多个源瓶施加压力。
        2. 组装三通电磁阀组件（图 5B）由串联MOSFET开关控制（图5C) 连接到数据采集卡（DAQ卡）。适配微孔管以连接阀门端口，用于控制来自不同样品瓶的液体流动。
      2. 编程软件以执行演示过程（图6）使用单按钮干预（例如，单击笔记本电脑）。
    2. 备用手动控制
      1. 在装置上添加滑动夹具，以实现对流体系统的部分手动控制，例如在飞行过程中若管道需要意外断开和重新连接时使用。
      2. 在飞行过程中，若发生泄漏，应在地板架区域配备足够的清洁湿巾。
  7. 飞行扰动准备：准备好应对飞行中可能出现的突发冲击力、振动或乘客碰撞的系统。
    1. 对齐稳定性控制
      1. 对已对准但容易发生错位的部件（特别是光学部件）涂抹快干环氧树脂。
      2. 在快干环氧树脂上涂抹工业级环氧树脂，并根据需要固定其他组件，包括将CCD相机连接至显微镜目镜。
    2. 物理扰动测试
      1. 摇动装置支撑结构，确保所有组件安装到位。
      2. 在对装置施加扰动后，检查各个组件的功能，特别是已对准的光学组件。
    3. 乘客风险管理
      1. 在垂直设备机架结构可能对意外碰撞到装置的飞行乘客造成伤害的区域（角落、边缘）贴上泡沫垫图4C).
      2. 用黑色胶带固定垫子。

2. 演示准备与后勤安排

  1. 飞行中与地面团队的角色分配
    1. 指派钻机操作员进行钻机安装 和 飞行过程中的所有动手操作。动手操作人员能够最直观地判断工装设置何时完成。
    2. 在培训和实际操作期间，指派一名标准操作程序（SOP）阅读员朗读SOP。培训期间朗读SOP的过程可发现操作步骤中存在的不顺畅或时机不当问题。
    3. 指派地面支持人员执行样品制备及其他不直接涉及钻机的操作准备任务，以最大限度减少钻机操作人员的时间负担。
  2. 初始标准操作程序（SOP）的制定
    1. 编写所有步骤，包括飞行前（飞行前一天及当天早晨）、飞行中和飞行后的操作流程，仅使用在飞行现场可获得的设备和材料。在抛物线飞行开始前或飞机调头的中途阶段，可能有一次持续5至10分钟的平飞时段，可用于最后的设置操作。
    2. 将飞行中的实验程序分配给指定数量的抛物线飞行段，需注意抛物线飞行段可能在中途被中断，以便飞机调头返回着陆地点；此外，其他团队可能要求在实验中途使飞机恢复水平飞行，或实际执行的抛物线飞行次数可能少于预期。
    3. 设计演示流程以最大限度降低超出有效 containment 的生物危害风险，在可能的情况下避免使用真实的生物样本。使用添加了荧光计数微球的蓝色食用染料（图1D) 作为样本加载演示过程中血液的替代物。
  3. 示范培训
    1. 制定充分的培训计划，以全面修订和完善标准操作程序（SOP），并生成详尽的地面控制数据，用于与飞行数据进行比较。
    2. 完成飞行前标准操作程序后，将设备锁定在房间内以模拟飞行环境，切断对工具或地面物资的接触。为进行更严格的训练，可划定地板上符合飞行中可用空间尺寸的区域，限制活动范围。 32.
    3. 训练期间，严格遵循标准操作程序（SOP），使用秒表报时，提示20至30秒的抛物线飞行阶段，标明进入和退出失重状态的时刻，以及飞行中段抛物线的间隔。
    4. 将最终确定的标准操作程序纳入实际飞行日计划中，将“飞行前”活动分配至飞行当日和飞行前一日进行。
    5. 训练应对飞行中突发情况，包括实验过程中设备突然受到外力冲击或飞机突然中途恢复水平飞行。
    6. 测试样品和试剂在飞行前操作与飞行中活动之间经历较长时间中断（小时或更长时间）时的稳定性。还需注意，飞行地点的温度可能显著升高。
    7. 培训多名人员作为主要操作员，以熟练掌握设备在飞行过程中的操作。在抛物线飞行期间谁会出现晕机症状难以预测，且同一使用者可能在一次飞行中未受影响，而在另一次飞行中出现症状。
  4. 地面设备及辅助材料
    1. 准备一个工具箱，其中包含维修所需的备用部件和设备，包括手动工具、焊接设备、胶水/环氧树脂等各类物品。
    2. 准备超出预定飞行任务所需量的样本和试剂，以防在样本或试剂已准备好后因意外航班延误而影响使用。
  5. 运输
    1. 安装运输必要的设备，以运送实验装置、地面设备（工具、离心机、移液器、涡旋混合器等）以及易腐物品（血细胞、试剂）。确保留有充足时间接收、检查、组装和测试飞行任务所需的硬件。
    2. 使用气泡膜将装置从除底部外的所有侧面包裹。使用内部配有泡沫垫和减震材料的定制木箱运输该装置。
    3. 将支持船舶的地面设备/工具装入刚性容器或箱体中。
    4. 使用厚度为1英寸的隔热泡沫箱运输易腐物品，需在-20 °C储存的物品应使用干冰，需在4 °C储存的物品应使用冷冻冷藏包。
  6. 飞行前测试
    在飞行前数天于飞行地点进行飞行前测试，以检查所有组件的功能是否正常。
    飞行装置被称重后，用起重机装载到飞机上，并可能在飞行周的整个持续期间保留在飞机上。

3. 飞行中演示

实验/演示分为两个指定日期进行（下文中的“第一天A”和“第二天B”）。第一天A用于微混合演示，第二天B用于颗粒检测和样品加载演示。

  1. 地面样本制备用于微混合器演示（仅限 A 日）
    1. 将 3 ml 蓝色食用染料稀释于 12 ml 1× 磷酸盐缓冲液（PBS）中。
    2. 将 3 ml 黄色食用染料稀释于 12 ml 1× PBS 中。
    3. 过滤 15 ml 商业纯化的红细胞。
      注意：由于没有任何检测方法能 100% 确保传染性病原体的不存在，来源于人类的产品应始终作为生物危害物处理。
    4. 为每种样本装载样本瓶（见步骤 3.3），另加一个仅含生理盐水的额外样本瓶。
  2. 地面样本制备用于光学检测模块演示
    1. 将 60 µl 荧光计数微珠与含 1% Tween 的 14 ml 1× PBS（4.3 个微珠/µl）混合。装入样本瓶中。
      注意：操作所有化学品时应谨慎，并佩戴个人防护装备（PPE）。
    2. 将 50 µl 指尖采全血样本用 1× PBS 稀释 100 倍，并加入 SYTO 83 染料至终浓度为 5 µM。轻微涡旋混匀。室温孵育 >5 分钟。
      注意：SYTO 83 染料溶于二甲基亚砜（DMSO），后者可经皮肤迅速吸收，可能对眼睛、呼吸系统和皮肤产生刺激。操作时需佩戴 PPE。
    3. 离心细胞样本（2,300 × g，4 分钟），用移液器吸除上清液。
    4. 通过加入 1 ml 1× PBS 洗涤染色后的细胞样本，以 2,300 × g 离心 4 分钟后吸除上清液。重复此步骤两次。
    5. 用 1× PBS 将体积补至 15 ml，使原始商业储备液达到最终 1:500 的稀释倍数。过滤细胞后装入样本瓶。
  3. 地面样本制备用于样本加载器演示（仅限 B 日）
    1. 通过使用剃刀片将微毛细管离心管切割成 15 mm 长的片段，制备样本加载器演示所需的毛细管耗材。
    2. 准备加载器演示样本：将 250 µl 储备荧光微珠与 250 µl 未稀释的蓝色食用染料混合（500 个微珠/µl）。将 250 µl 样本分别吸入两个 1 ml 注射器中，每个注射器均装配钝头针并用绝缘胶带封口。
  4. 装载流体源瓶
    1. 在样本瓶上安装新的无粉乳胶隔膜（剪下乳胶手套的指尖部分亦可接受）。确保隔膜足够长，能够从瓶底延伸并翻折覆盖瓶口外缘。将瓶环滑过翻折部分固定。
    2. 在帽出口管路上安装临时滑动夹，以防止插入帽盖时液体喷出。
    3. 在填充样本瓶前，使用注射器对瓶内施加负压以扩张隔膜。将液体倒入瓶顶，然后以倾斜角度插入帽盖，确保帽盖安装过程中无空气滞留（部分液体会溢出）。短暂移除滑动夹以引流通路管路，并释放隔膜回缩产生的压力。
  5. 准备实验装置演示
    1. 连接并检查所有管路连接
    2. 将源瓶接入系统。将样本瓶插入定制的丙烯酸瓶架中，并用魔术贴固定。
    3. 清空废液瓶或废液箱中的所有废弃物。
    4. 检查硬盘空间并启动定制演示软件。
    5. 执行针对每项演示的系统流体引流通路程序。
    6. 为所有电池供电设备（例如，加速度计）更换新电池。
    7. 手动振荡荧光颗粒样本。
    8. 运行简短的预演测试实验。
  6. 预防飞行中的运动病
    1. 服用提供的药物（东莨菪碱和右旋苯丙胺，两者均安全有效，可用于预防飞行中的运动病）
    2. 遵循推荐的飞行中体位策略（例如，在重力增加期间平躺，身体伸直，头部前倾；在转入低重力状态时，允许身体自然漂浮上升）。如有可能，利用前几个抛物线飞行段适应重力变化。
    3. 将塑料呕吐袋置于前衣袋等易于取用的位置。呕吐可能突然发生，且无恶心前兆。
  7. 进入飞行状态并接近指定抛物线空域后，安排实验装置操作人员就位。提供足够空间，使操作人员在高重力阶段能够平躺，并便于接触腿部绑带。抛物线飞行开始后，在低重力状态下避免对身体施加强外力，以免身体过快上升而造成一定危险。
  8. 执行微流控混合器演示（仅限 A 日）
    1. 测试运行前手动振荡血液样本瓶。
    2. 以 1.5、2、3、4、5 和 6 psi 的压力，分别在至少两个抛物线飞行段中以 1:1 比例混合血液与生理盐水，同步记录视频数据及其他读数。
    3. 向生理盐水入口注入空气，测试通道结构是否会截留气泡，从而影响最佳混合效果。
    4. 以相同压力条件（1.5、2、3、4、5 和 6 psi）分别在至少两个抛物线飞行段中混合蓝色与黄色食用染料，并同步记录数据。
    5. 演示结束后，在系统流体管路上安装滑动夹，以防止继续产生废液。
    6. 关闭电子设备前检查数据完整性，以防需要重复演示。
  9. 执行光学检测模块与样本加载器演示（仅限 B 日）
    1. 运行前手动振荡样本。
    2. 驱动荧光计数微珠通过光学检测模块，持续 3 个抛物线飞行段。在不同样本类型之间，使用生理盐水冲洗系统至少 1 个抛物线飞行段。
    3. 对荧光水凝胶颗粒和白细胞重复步骤 3.9.2。
    4. 检查数据，确认是否有遗漏内容需在进入样本加载器演示前重复实验。
    5. 使用高清录像机开始记录样本加载器演示过程。
    6. 当飞机进入低重力状态时，使用样本注射器将一滴计数微珠染料混合液滴于指尖，模拟指尖采血样本。使用异常大的液滴（图 1D）以测试在低重力条件下维持指尖血滴的极限能力。
    7. 使用毛细管耗材从指尖吸取样本（约 10 µl），并将其装入毛细管加载器中。
    8. 使用盒内配备的擦拭纸清除指尖残留样本。
    9. 将样本驱动至光学系统进行检测。
    10. 由不同操作人员多次重复测试。
    11. 关闭电子设备前检查数据，确认是否有遗漏内容需重复实验。
  10. 飞行后关闭系统
    1. 根据需要，使用标有生物危害标识的容器妥善清空并处置废弃物。危险废物可能需从飞机设施中运出。
    2. 使用装有 5 ml 水的注射器对系统进行彻底冲洗，以提供强力清洁。通过全部 3 个端口正反向冲洗阀门。
    3. 使用酒精擦拭纸清理任何溢出或污染。
    4. 为下一次演示重新引流通路系统。

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结果

显微混合器演示的代表性结果如图7所示，该图像由体视显微镜配备的CCD相机拍摄。可在螺旋通道的任意位置以及出口通道中对混合效果进行视觉评估，实验涉及两组流体：血液/生理盐水和蓝色/黄色染料。对二维图像的定量分析可包括测定通道不同区域宽度方向上的颜色均匀性，具体方法见其他文献38-40。更多细节请参见补充图1。微流控芯片处理气泡的演示结果见补充图2。

光学模块和样品加载器演示中颗粒检测的结果如图所示 图7C 和 D分别。荧光标记白细胞的光学阻断检测 (图7C) 从约1.5 g过渡到接近零重力时，样品表现相对稳定，且在返回1.5 g的过程中持续保持稳定。样品加载器数据显示，样品已成功加载（此处为月球重力条件下），并到达光学模块以进行检测 (图7D

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讨论

本文所述方法在2010年FAST抛物线飞行期间，有效验证了主要技术组件（样品加载、微流控混合和光学检测），其结果与地面测试相当。文中描述的培训和标准操作程序（SOP）方法尤为有效，有助于明确在练习演示中所依赖的工具及其他“辅助手段”，而这些在抛物线飞行任务中将无法使用。

需要改进的方面包括密闭性和布局设计。定制的丙烯酸组件在密闭性方面可能不够坚固。在飞行过程中经历重力转变时，“手套箱”被一名乘客碰撞，随后在飞机剧烈着陆时散开。在蓝黄染料混合演示期间，连接至微流控芯片的管路脱开，导致食用染料短暂泄漏到客舱环境中。这一问题需要在高重力（高-g）时段内修复，而该时段尤其困难，因为重新连接微孔管路需要操作者具备较高的灵巧性和稳定性。在布局方面，将笔记本电脑置于站立高度操作位置，使得在高-g时段内操作变得困难。操作人员在高-g阶段尝试站立时可能会感到头晕。采用中等高度的计算机可能是更好的替代方案，但这需要重新调整原型子组件的位置。其他研究人员在其抛物线飞行实验装置中加入了座椅，以稳定测试操作人员26，但这需要额外的空间，而抛物线飞行中的可用空间十分有限。

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披露

Eugene Y. Chan、Candice Bae 和 Julia Z. Sharpe 是通过商业实体 DNA Medicine Institute 提交的相关技术专利的发明人。

致谢

硬件开发由美国国家航空航天局（NASA）小型企业创新研究（SBIR）合同 NNX09CA44C 和 NNX10CA97C 提供支持。光学模块和样本加载器演示的数据分析由 NASA 第三阶段合同 NNC11CA04C 提供资助。人血采集操作依据 NASA 国际审查委员会（IRB）方案编号 SA-10-008 进行。控制与数据采集软件由美国国家仪器公司（National Instruments）医疗设备资助项目提供。微芯片模具在约翰斯·霍普金斯大学微加工设施和哈佛大学纳米系统中心制作完成。Otto J. Briner 和 Luke Jaffe（DNA医学研究所）于2010年夏季协助完成了机架组装。NASA 飞行周期间的视频资料由 NASA 飞行视频团队提供。Carlos Barrientos（DNA医学研究所）提供了摄影与图表制作协助。特别感谢2010年技术太空环境便捷获取计划（Facilitated Access to the Space Environment for Technology 2010 Program）、NASA 减重力办公室（Reduced Gravity Office）、人类适应与对抗措施部门（Human Adaptation and Countermeasures Division）、NASA 格伦研究中心（Glenn Research Center）、ZIN 技术公司（ZIN Technologies）以及人类研究计划（Human Research Program）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
微型气泵Smart Products, Inc.AP-2P02A最大压力 = 6.76 psi；1.301” x 0.394” x 0.650”，0.28 oz (8 g)；可直接从 Smart Products 购买
差压传感器Honeywell International, Inc.ASDX015D44R量程 为 0–15 psi；0.974" x 0.550" x 0.440"，0.09 oz (2.565 g)；供应商包括 Digi-Key 和 Mouser Electronics
硬质塑料小瓶（小号）Loritz & Associates, Inc.55-05聚苯乙烯材质；内径 0.81" (20.6 mm)，瓶高 2.06" (52.4 mm)；可直接从 LA Container Inc. 购买；Dynalab Corp. 提供类似产品
乳胶检查手套dynarex corporation2337用于液体源小瓶中的乳胶隔膜的中指部分。  其他品牌（例如，Aurelia ®  Vibrant ™）亦可接受。
光学胶Norland ProductsNOA 88低放气粘合剂；可直接从 Norland 购买；Edmund Optics Inc. 亦有供应
三通电磁阀The LEE CompanyLHDA0531115H气体阀门，但也可用于液体；长 1.29"，直径 0.28"。  该产品已停产。  The LEE Company 提供类似产品。
容积式水流量计OMEGA Engineering inc. FLR-1602A强烈推荐使用非接触式流量计。  我们推荐 SENSIRION LG16 OEM 液体流量传感器，适用于从 nl/min 到 5 ml/min 的流量范围。
PCD-mini 光子探测器 SenslPCDMini-00100用于荧光检测；可直接从 Sensl 购买
加速度计Crossbow Technology, Inc.CXL02LF3三维力检测。  由 NASA 提供给 DMI。  Vernier Software & Technology, LLC 提供类似产品。 
体视显微镜AmScopeSE305R-AZ-E
CCD 相机ThorlabsDCU223C1,024 x 768 分辨率，彩色，USB 2.0；可直接从 Thorlabs 购买
CCD 相机用 USB 和触发线缆（输入/输出）ThorlabsCAB-DCU-T1可直接从 Thorlabs 购买
微孔管Saint-Gobain CorporationAAD04103Tygon®；内径 0.02"，外径 0.06"，长度 500 ft，壁厚 0.02"。供应商：VWR，Thermo Fisher Scientific Inc.
空心钢针New England Small Tube(定制)外径 0.025"，内径 0.017"，长度 0.500”，304 型不锈钢管，经切割、去毛刺和钝化处理；用于连接微孔管和芯片管路
滑动夹World Precision Instruments, Inc.14042可直接从 World Precision Instruments 购买
鲁尔接头配件World Precision Instruments, Inc.14011可直接从 World Precision Instruments 购买
硅片Addison Engineering, Inc.直径 6"；用于 SU-8 模具制造
聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体固化剂Dow Corning3097358-1004供应商：Global Industrial SLP, LLC
针头（23 号），斜面尖端Terumo Medical CorporationNN-2338R超薄壁；23 G x 1.5"；22 G 也可使用；供应商：Careforde, Inc.，  Port City Medical
分配针头（23 号），钝头CML Supply901-23-10023 G x 1"；  可从 CML Supply 购买
盖玻片Thermo Fisher Scientific, Inc.12-518-105EGold Seal™ 无腐蚀性硼硅酸盐玻璃；用于 PDMS 芯片盖片；24 x 60 mm；可从 Thermo Fisher Scientific, Inc. 购买
真空泵MountainMTN8407用于 PDMS 脱气；供应商：  Ryder System, Inc. 
真空腔室Thermo Fisher Scientific, Inc.5311-0250Nalgene™ 透明聚碳酸酯；可从 Thermo Fisher Scientific, Inc. 购买
等离子清洗机Harrick PlasmaPDC-32G
手持放大镜Mitutoyo183-131反向使用以实现约 15" 处的观察。
乙醇CAROLINA861283用于芯片清洗。使用超纯水稀释至 70%。
水纯化系统Thermo Fisher Scientific, Inc.D11901可直接从 Thermo Fisher Scientific, Inc. 购买
光学机械平移台ThorlabsK6X六轴运动学光学支架；该产品已停产；Thorlabs 提供新型号（K6XS）
笔记本电脑Hewlett-PackardVP209AV运行 Windows 7 系统的 HP Pavilion 笔记本电脑
笔记本电脑托盘（弹簧加载）National Products, INC.RAM-234-3 RAM Tough-Tray™。可容纳 10 至 16 英寸宽的笔记本电脑。
USB 分线器Connectland Technology Limited3401167
USB 数据采集卡（8 个模拟输入，12 个数字 I/O）National InstrumentsNI USB-600812 位，10 kS/s 低成本多功能数据采集卡
USB 数据采集卡（16 个模拟输入，32 个数字 I/O）National InstrumentsNI USB-621616 位，400 kS/s 隔离 M 系列多功能 I/O 数据采集卡，总线供电
控制/采集软件National InstrumentsLabVIEW 2009定制编写的 National Instruments (NI) LabVIEW 
三维实体建模软件Dassault Systèmes SolidWorks Corp.SolidWorks 2011
二维建模软件AUTODESKAutoCAD LT 2008
垂直设备机架(NASA 提供)N/A
实心铝制光学面包板ThorlabsMB242424" x 24" x 1/2"，1/4"-20 螺纹孔；可直接从 Thorlabs 购买
工业级钢质环氧胶及硬化剂The J-B Weld CompanyJ-B Weld 钢增强型环氧胶
微量血细胞比容毛细管 Fisher Scientific22-362-574内径 1.1 至 1.2 mm
1 ml 注射器Henke-Sass, Wolf4010.200V0NORM-JECT®；供应商：Grainger, Inc.
人红细胞Innovative ResearchIPLA-WB3经供应商检测，对以下项目呈阴性：HBsAg、HCV、HIV-1、HIV-2、HIV-1Ag 或 HIV 1-NAT、ALT 以及梅毒（采用 FDA 批准的方法）。  由于任何检测方法均无法 100% 确保无感染性病原体存在，因此人源性产品应按照美国卫生与公共服务部《微生物和生物医学实验室生物安全手册》中关于潜在感染性人血清或血液标本的建议进行处理
磷酸盐缓冲液浓缩液P5493SIGMA10x；稀释至 1x
吐温P9416SIGMATWEEN® 20
离心机LW ScientificSTRAIGHT8-5K8 位摆动转子离心机。  可通过授权经销商购买。  其他型号离心机可直接从 LW Scientific 购买。
高清视频记录仪SonyMHS-CM5
橙色荧光核酸染料InvitrogenS-11364SYTO® 83 橙色荧光核酸染料。  溶于 DMSO 溶剂中储存。始终佩戴推荐的个人防护装备。无需特殊处理
建议。
荧光计数微球InvitrogenMP 36950CountBright™ 绝对计数微球。  始终佩戴推荐的个人防护装备。无需特殊处理建议。

参考文献

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