微流控芯片技術的研究進展

1、微流控芯片技術的研究進展微流控芯片技術的研究進展 微流控芯片技術是指采用微細加工技術，在一塊幾平方厘米的芯片上制作出微通道網(wǎng)絡結構和其他功能單元，把生物和化學等領域所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離和檢測等基本操作單元集成或基本集成在盡可能小的操作平臺上，用以完成不同的生物或化學反應過程，并對其產(chǎn)物進行分析的技術。它不僅使生物樣品與試劑的消耗降低至納升(n1)甚至皮升(p1)級，而且使分析速度大大提高，分析費用大大降低，從而為分析測試技術普及到戶外、家庭開辟了一條新路。它充分體現(xiàn)了當今分析設備微型化、集成化和便攜化的發(fā)展趨勢。現(xiàn)已成為國內(nèi)外生物化學、分析化學、分子毒理學、環(huán)境醫(yī)學和預防醫(yī)學

2、等領域的研究熱點。一、微流控芯片技術的提出與發(fā)展一、微流控芯片技術的提出與發(fā)展1.提出提出 微流控芯片技術是在芯片毛細管電泳基礎上發(fā)展起來的，1992年，Manz等 采用微電子機械加工技術在平板玻璃上刻蝕微管道，研制出毛細管電泳微芯片分析裝置。成功地實現(xiàn)了熒光標記的氨基酸的分離，開創(chuàng)了微流控芯片技術之先河。2.發(fā)展發(fā)展 1995年，Woolley和Mathiesl21用自已研制的電泳芯片系統(tǒng)，成功地進行了DNA測序，在540 s內(nèi)讀出了150個堿基，準確率達到97，微流控芯片的商業(yè)開發(fā)價值開始顯現(xiàn)。 1996年，WooHey等。31又將基因分析中有重要意義的聚合酶鏈反應(vca)與毛細管電泳集

3、成在一起，展示了微全分析系統(tǒng)在試樣處理方面的潛力，從而為微流控芯片在基因分析中的實際應用提供了重要基礎。 1998年，Bums等”1利用光刻技術制作了1個集Ill液體進樣器、混合器、定位系統(tǒng)和可控溫的反應室、電泳分離系統(tǒng)和熒光檢測器系統(tǒng)于一體的微流控芯片，用于DNA分析。 1999年Shi等”1研制出了96根分離泳道的毛細管陣列電泳芯片，96根泳道呈輻條狀分布在直徑為loeln的基片上，可在2 min內(nèi)同時分離96個pBR322樣品。 2000年，Ander$on等”1研制了一種可用于多樣品的一系列復雜分子處理的高度集成的芯片，它能夠從IIll級水溶液樣品中提取濃縮核酸，進行微晶化學擴增、酶反

4、應、雜交、混合和測定等，并可進行l(wèi)O幾種反應物的60多個連續(xù)操作。二、微流控芯片技術在生物分析中的應用二、微流控芯片技術在生物分析中的應用 微流控芯片在微型化、集成化和便攜化方面的巨大潛力，為其在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測和衛(wèi)生防疫等眾多領域的應用提供了廣闊的應用前景。21 核酵分析核酵分析 核酸的擴增、分離及測序是微流控芯片的主要應用領域。 Kopp等”1提出了連續(xù)流動式微流控PCR擴增芯片，反應溶液循環(huán)流經(jīng)不同的溫區(qū)完成PCR擴增反應，整個擴增反應全部在流動中完成，展示了微全分析系統(tǒng)在試樣處理方面的潛力。 Koutny等”o在刻有32個通道的玻璃芯片上，四色測序800bp，僅用時78 min。Me

5、dintz等”1用96通道圓盤式陣列芯片毛細管電泳進行DNA測序，500 bp分離測序時間小于30 min，總錯檢率小于1。人們還利用微流控芯片技術開展了基因表達、基因突變性、基因功能和單核苷酸基因多態(tài)性等的研究，取得了豐碩成果。22 肽和蛋白質(zhì)分析肽和蛋白質(zhì)分析 目前蛋白組分析主要是將蛋白質(zhì)大分子降解為肽，再通過分析肽譜以及進行肽鏈的測序加以實現(xiàn)。 Hofmann等“利用等電聚焦毛細管電泳芯片技術，以Cy5標記肽，對細胞色素c、核糖核酸酶A和肌紅蛋白等9種蛋白質(zhì)混合物進行分離檢測，5 min即完成了整個分析過程。 Gottsehlieh等“研究了微流控芯片蛋白質(zhì)二維電泳分離測定，以激光誘導熒

6、光檢測器檢測，13 min內(nèi)可對B酪蛋白的胰蛋白酶降解產(chǎn)物進行分離檢測。23氨基酸分析氨基酸分析 微流控芯片技術在氨基酸分析中的應用較為廣泛。 Heeren等“設計了一種循環(huán)柱切換的微流控芯片，微通道表面用線性聚丙烯酰胺衍生化，以nTc標記氨基酸，取得了良好的分離測定效果。 Hutt等“在硼硅玻璃電泳芯片上，以7一環(huán)糊精作手性添加劑，對氨基酸樣品進行了手性拆分分析。 Fang等”41對進樣儲液池加以改進，制成連續(xù)換樣流通式儲液進樣裝置，實現(xiàn)了微流控芯片對氨基酸的高通量分析。24細胞分析細胞分析 流控芯片通道寬度一般為1050m ，和生物細胞大小相當，生物細胞在微通道內(nèi)非常容易操縱、觀察和檢測，

7、因此，以微流控芯片進行單細胞研究具有獨特的優(yōu)越性。 Yang等“在玻璃芯片微通道中，用介電泳力和重力場流分級分離細胞，垂直方向受到向下重力和向上介電泳力的作用而得到分離。 Schilling等”61以化學消解法在線消解大腸桿菌細胞膜，胞內(nèi)成分B半乳糖苷酶釋放出來，以熒光法檢測之。 Roper等”7。通過競爭反應對單個胰島釋放出的胰島素進行了免疫分析25 藥物分析與篩選藥物分析與篩選 藥物的分析與篩選是微流控芯片另一個可發(fā)揮重要作用的領域。 Chiem和Harrison”“利用免疫法測定了血清中治療哮喘藥物茶堿，他們將含有未標記的藥物樣品和已知數(shù)量的熒光標記的藥物及藥物抗體混合，分離檢測藥物及藥

8、物與抗體的復合物，分離分析時間僅40 s。 Kubinyi“利用微流控芯片技術微型、集成化的特點，把一些反應器及通道微型化、陣列化，同時實現(xiàn)了樣品前處理和分離，研制了一種動態(tài)的高通量藥物篩選平臺，在很短的時間內(nèi)完成成千上萬個藥物和生物靶標的作用鑒定，建立了一種基于分子水平的更適于藥物篩選的技術體系。26免疫分析免疫分析 疫分析是一種判斷和測定溶液中蛋白質(zhì)存在與否及濃度大小的特異性方法，因其具有高度的選擇性，該法已成為目前臨床診斷、生物醫(yī)學等的重要工具。 Cheng等 o采用微流控芯片法進行免疫分析，他們在微通道中集成微免疫反應器，免疫產(chǎn)物以電泳分離、熒光檢測，分別測定了卵白蛋白及抗雌二醇的含量

9、。 Sato等”“在微通道中構筑了一道圍堰，用來擋住結合抗體的聚苯乙烯微珠，血清中癌胚抗原和抗體結合，再以標記了膠狀金的免疫球蛋白結合，熱透鏡檢測，和ELISA法相比，分析時間從45 h減少到35 min。27酶分析酶分析 分析具有特異性高、反應條件溫和及反應速度快等優(yōu)點，也是目前臨床診斷和生物醫(yī)學等的重要工具。 Hadd等 在多分支的微流控芯片上，用乙酰膽堿酯酶測定乙酰膽堿酯酶抑制劑的含量。乙酰膽堿酯酶催化乙酰膽堿水解生成膽堿，膽堿與熒光衍生劑結合產(chǎn)生熒光，激光誘導熒光檢測器檢測。分析時間為70 s。 Nakamura等 1在微流控芯片上刻蝕了容積為65 m的反應器，填人固定化乳酸氧化酶的多

10、孔玻珠，形成酶反應器，測定了血清樣品中的乳酸酶。徽流控芯片法分析酶，將有力地推動臨床診斷和酶的基礎研究。28單分子檢測單分子檢測 Haab和MaehiesI在玻璃被流控芯片上，利用聚焦分子流，以單分子熒光激發(fā)計數(shù)作為檢測手段，實現(xiàn)了ds-DNA片斷(1001 000 bp)的單分子分離檢測，為微流控芯片在單分子檢測中的應用開辟了先河。 單分子檢測方面的研究目前雖然較少，但可以相信，隨著微流控芯片技術的日臻完善，該領域?qū)艿皆絹碓蕉嗟年P注。三、發(fā)展前景三、發(fā)展前景 當前許多發(fā)達國家已把現(xiàn)代科學儀器當做信息社會的源頭和基礎納入其未來發(fā)展的戰(zhàn)略重點，而分析儀器又是其中最重要的組成部分之一，人類基因組計劃的提前完成充分說明了先進的分析儀器與技術在