微流控技術對于航天飛行來說是一項重大技術創新，因為它能夠操縱微升到納升尺度的流體，并以很小的物理尺寸可靠地進行高靈敏度的化學和生物分析。微流控平臺在尋找地外生命的有機生物特征方面尤其具有吸引力。例如，已有相關研究詳細分析了在土衛二和木衛二上采集冰樣本并對其進行微流控分析以獲取生物特征的可行性。此外，微流控生物分析系統在機組人員的健康監測方面也很有價值。然而，雖然相關研究已經開發出了強大的原型微流控儀器并進行了實驗室測試，但是用于原位空間探索的緊湊、節能和可重構微流控平臺的重力靈敏度尚未得到檢驗。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決以上問題，來自美國猶他大學（University of Utah）和加州大學伯克利分校（University of California Berkeley）的研究人員開發了一種微流控有機分析儀（MOA）系統，該系統由直接集成玻璃微通道和激光誘導熒光（LIF）檢測系統的可編程微閥陣列（PMA）組成。該可編程微閥陣列是完全可尋址的氣動微流控閥陣列，由于其可編程性，該微閥陣列可以執行幾乎無限種類的樣品制備和操作步驟。

類似于傳統的邏輯電路，氣動控制的微閥可以切換狀態，從而構成一個處理器。當特定的微閥處于真空環境下時，微閥內的膜向上偏轉，從而打開閥門并將液體拉入其流體室。當氣動狀態切換到壓力狀態時，腔內的液體沿著由周圍微閥的狀態決定的路徑被推出。此外，樣品可以被自動標記、孵育和操作，并遞送到集成的毛細管電泳（μCE）芯片中，然后用激光誘導熒光（LIF）系統進行檢測。相關研究成果以“Operation of a programmable microfluidic organic analyzer under microgravity conditions simulating space flight environments”為題，發表在npj Microgravity期刊上。

圖1 用于微流控有機分析儀（MOA）飛行測試的設備，由可編程微閥陣列-毛細管電泳（PMA-μCE）芯片、操作硬件和傳感器組件組成

圖2 可編程微閥陣列-毛細管電泳（PMA-μCE）芯片組件

圖3 在微重力飛行中進行的每個實驗的流體流動路徑

以往，微流控有機分析儀的應用主要關注的是氨基酸、醛類、酮類和羧酸的熒光標記性能，以及高分辨率毛細管電泳分離和納摩爾到皮摩爾濃度范圍的被標記物的檢測。而近期，研究重心則轉移到了技術就緒水平（TRL）的飛行模式儀器系統的開發上，該系統具有適合太空飛行的配置和制造。然而，雖然研究人員已經對該系統進行了初步的熱、真空和振動測試，但在地面環境中進行零重力測試更具挑戰性。

為了在零重力拋物線飛行中測試微流控有機分析儀（主要是它的可編程微閥陣列和激光誘導熒光系統），以確定其在失重和超重條件下的性能靈敏度，該研究進行了五次微重力飛行，并展示了其中前兩次飛行的結果。

圖4 飛行過程中的測試環境參數以及可編程微閥陣列的性能表征

研究結果表明，隨著重力的減小，該可編程微閥陣列芯片的泵送性能保持不變，但當重力增加到測試條件下的2g水平時，該可編程微閥陣列芯片的泵送性能會有所下降。這種性能的下降可能是由于測量誤差和由流量測量設備位置引起的微小的流體靜力學效應引起的，而不是由可編程微閥陣列芯片本身的功能退化導致的。此外，微流控有機分析儀平臺的混合、計量和檢測能力不受重力條件的影響，呈現較強的線性趨勢，并且不同重力條件下制備的樣品之間的濃度差異約為10%。這種差異與在各種濃度（~16 nM）下人工制備的樣品所觀察到的誤差相當。以上兩方面結果的結合顯示了該微流控有機分析儀在地外化學和生化分析應用中的潛力。微流控對重力場的不敏感也證明了在實驗室環境中初步開發微流控儀器以最終用于空間部署是合理的。

更重要的是，在這次首次飛行活動中吸取的經驗教訓將通過設備和方案的改進對未來的微重力飛行和實驗產生影響。在即將到來的微重力飛行中，研究人員計劃對微流控有機分析儀在太空探索中的兩種不同的應用進行測試。這種測試研究將利用毛細管電泳在微重力/超重力循環期間進行，這是一種模擬在現場分析樣品以尋找地外生命的方法。其次，研究人員將通過在微重力環境下對相關宇航員生物標志物進行模擬臨床分析，來演示微流控有機分析儀系統作為機組人員健康監測平臺的性能。

目前，該微流控有機分析儀平臺正在根據從飛行中吸取的經驗教訓進行升級，包括利用LED指示器以監測實驗狀態、增加用于毛細管電泳的高壓電路，以及更改當前布局以提高可用性，以便它可以作為未來微重力實驗和其他實地工作的強大和可靠的平臺。
責任編輯：彭菁