微流控芯片技术的研究进展

二、微流控芯片技术在生物分析中的应用
微流控芯片在微型化、集成化和便携化方面的巨大潜力， 为其在生物医学、环境监测和卫生防疫等众多领域的应用 提供了广阔的应用前景。
2．1 核酵分析
• 核酸的扩增、分离及测序是微流控芯片的主要应用领域。 • Kopp等”1提出了连续流动式微流控PCR扩增芯片，反应 溶液循环流经不同的温区完成PCR扩增反应，整个扩增反 应全部在流动中完成，展示了微全分析系统在试样处理方 面的潜力。 • Koutny等”o在刻有32个通道的玻璃芯片上，四色测序 800bp，仅用时78 min。Medintz等”1用96通道圆盘式阵 列芯片毛细管电泳进行DNA测序，500 bp分离测序时间小 于30 min，总错检率小于1％。人们还利用微流控芯片技 术开展了基因表达、基因突变性、基因功能和单核苷酸基 因多态性等的研究，取得了丰硕成果。
2．7酶分析
• 分析具有特异性高、反应条件温和及反应速度快等优点， 也是目前临床诊断和生物医学等的重要工具。 • Hadd等⋯‘在多分支的微流控芯片上，用乙酰胆碱酯酶测 定乙酰胆碱酯酶抑制剂的含量。乙酰胆碱酯酶催化乙酰胆 碱水解生成胆碱，胆碱与荧光衍生剂结合产生荧光，激光 诱导荧光检测器检测。分析时间为70 s。 • Nakamura等⋯1在微流控芯片上刻蚀了容积为6．5 m的反 应器，填人固定化乳酸氧化酶的多孔玻珠，形成酶反应器 ，测定了血清样品中的乳酸酶。徽流控芯片法分析酶，将 有力地推动临床诊断和酶的基础研究。
• 1999年Shi等”1研制出了96根分离泳道的毛细管 阵列电泳芯片，96根泳道呈辐条状分布在直径为 loeln的基片上，可在2 min内同时分离96个 pBR322样品。 • 2000年，Ander$on等”1研制了一种可用于多样 品的一系列复杂分子处理的高度集成的芯片，它 能够从IIll级水溶液样品中提取浓缩核酸，进行微 晶化学扩增、酶反应、杂交、混合和测定等，并 可进行lO几种反应物的60多个连续操作。
2．3氨基酸分析
• 微流控芯片技术在氨基酸分析中的应用较为广泛。 • Heeren等““设计了一种循环柱切换的微流控芯片，微 通道表面用线性聚丙烯酰胺衍生化，以nTc标记氨基酸， 取得了良好的分离测定效果。 • Hutt等““在硼硅玻璃电泳芯片上，以7一环糊精作手性 添加剂，对氨基酸样品进行了手性拆分分析。 • Fang等”41对进样储液池加以改进，制成连续换样流通 式储液进样装置，实现了微流控芯片对氨基酸的高通量分 析。
Байду номын сангаас
2．8单分子检测
• Haab和MaehiesⅢI在玻璃被流控芯片上，利用聚焦分子 流，以单分子荧光激发计数作为检测手段，实现了dsDNA片断(100～1 000 bp)的单分子分离检测，为微流控 芯片在单分子检测中的应用开辟了先河。 • 单分子检测方面的研究目前虽然较少，但可以相信，随着 微流控芯片技术的日臻完善，该领域将会受到越来越多的 关注。
三、发展前景
当前许多发达国家已把现代科学仪器当做信息社会的源头 和基础纳入其未来发展的战略重点，而分析仪器又是其中 最重要的组成部分之一，人类基因组计划的提前完成充分 说明了先进的分析仪器与技术在现代高科技发展中的重要 甚至关键作用。面l临着21世纪科技发展中提出的众多挑 战，分析仪器和分析科学也正经历着深刻的变革，其中一 个日益明显的发展趋势就是分析设备的微型化、集成化和 便携化。当前，分析仪器的发展正在出现～个以微型化为 主要特征的、带有革命性的重要转折时期。微流控芯片系 统正处于当前发展的前沿，也最具广阔的发展前景。
2．2 肽和蛋白质分析
• 目前蛋白组分析主要是将蛋白质大分子降解为肽，再通过 分析肽谱以及进行肽链的测序加以实现。 • Hofmann等““利用等电聚焦毛细管电泳芯片技术，以 Cy5标记肽，对细胞色素c、核糖核酸酶A和肌红蛋白等9 种蛋白质混合物进行分离检测，5 min即完成了整个分析 过程。 • Gottsehlieh等““研究了微流控芯片蛋白质二维电泳分离 测定，以激光诱导荧光检测器检测，13 min内可对B．酪 蛋白的胰蛋白酶降解产物进行分离检测。
2．6免疫分析
• 疫分析是一种判断和测定溶液中蛋白质存在与否及浓度大 小的特异性方法，因其具有高度的选择性，该法已成为目 前临床诊断、生物医学等的重要工具。 • Cheng等⋯o采用微流控芯片法进行免疫分析，他们在微 通道中集成微免疫反应器，免疫产物以电泳分离、荧光检 测，分别测定了卵白蛋白及抗雌二醇的含量。 • Sato等”“在微通道中构筑了一道围堰，用来挡住结合抗 体的聚苯乙烯微珠，血清中癌胚抗原和抗体结合，再以标 记了胶状金的免疫球蛋白结合，热透镜检测，和ELISA法 相比，分析时间从45 h减少到35 min。
2．5 药物分析与筛选
• 药物的分析与筛选是微流控芯片另一个可发挥重要作用的 领域。 • Chiem和Harrison”“利用免疫法测定了血清中治疗哮喘 药物茶碱，他们将含有未标记的药物样品和已知数量的荧 光标记的药物及药物抗体混合，分离检测药物及药物与抗 体的复合物，分离分析时间仅40 s。 • Kubinyi““利用微流控芯片技术微型、集成化的特点， 把一些反应器及通道微型化、阵列化，同时实现了样品前 处理和分离，研制了一种动态的高通量药物筛选平台，在 很短的时间内完成成千上万个药物和生物靶标的作用鉴定 ，建立了一种基于分子水平的更适于药物筛选的技术体系 。
2．4细胞分析
• 流控芯片通道宽度一般为10～50μm ，和生物细胞大小相 当，生物细胞在微通道内非常容易操纵、观察和检测，因 此，以微流控芯片进行单细胞研究具有独特的优越性。 • Yang等““在玻璃芯片微通道中，用介电泳力和重力场 流分级分离细胞，垂直方向受到向下重力和向上介电泳力 的作用而得到分离。 • Schilling等”61以化学消解法在线消解大肠杆菌细胞膜， 胞内成分B．半乳糖苷酶释放出来，以荧光法检测之。 • Roper等”7。通过竞争反应对单个胰岛释放出的胰岛素 进行了免疫分析
微流控芯片技术的研究进展
微流控芯片技术是指采用微细加工技术，在一块几平 方厘米的芯片上制作出微通道网络结构和其他功能单元， 把生物和化学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应 、分离和检测等基本操作单元集成或基本集成在尽可能小 的操作平台上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并 对其产物进行分析的技术。它不仅使生物样品与试剂的消 耗降低至纳升(n1)甚至皮升(p1)级，而且使分析速度大大 提高，分析费用大大降低，从而为分析测试技术普及到户 外、家庭开辟了一条新路。它充分体现了当今分析设备微 型化、集成化和便携化的发展趋势。现已成为国内外生物 化学、分析化学、分子毒理学、环境医学和预防医学等领 域的研究热点。
一、微流控芯片技术的提出与发展
1.提出
• 微流控芯片技术是在芯片毛细管电泳基础上发展起来的， 1992年，Manz等⋯采用微电子机械加工技术在平板玻璃 上刻蚀微管道，研制出毛细管电泳微芯片分析装置。成功 地实现了荧光标记的氨基酸的分离，开创了微流控芯片技 术之先河。
2.发展
• 1995年，Woolley和Mathiesl21用自已研制的电泳芯片系 统，成功地进行了DNA测序，在540 s内读出了150个碱基 ，准确率达到97％，微流控芯片的商业开发价值开始显现 。 • 1996年，WooHey等。31又将基因分析中有重要意义的聚 合酶链反应(vca)与毛细管电泳集成在一起，展示了微全分 析系统在试样处理方面的潜力，从而为微流控芯片在基因 分析中的实际应用提供了重要基础。 • 1998年，Bums等”1利用光刻技术制作了1个集Ill液体进 样器、混合器、定位系统和可控温的反应室、电泳分离系 统和荧光检测器系统于一体的微流控芯片，用于DNA分析 。