微流控芯片技术及在药物分析中的应用研究进展_李偶连

收稿日期:2007-04-28 修回日期:2007-07-26

基金项目:国家自然科学基金(N o .20375049,20575080)

＊通讯联系人:陈缵光,男,博士,教授,博士生导师,研究方向:分析仪器、药物分析和临床化学等.

第24卷第4期V ol .24　N o .4分析科学学报

JO U RN A L O F A N A L YT ICA L SCIEN CE 2008年8月A ug .2008

文章编号:1006-6144(2008)04-0473-06

微流控芯片技术及在药物分析中的应用研究进展

李偶连,刘　翠,陈缵光＊

,蓝　悠,杨秀娟

(中山大学药学院,广州510089)

摘　要:微流控芯片由于具有试剂和样品用量少、分析速度快、分离效率高、体积小等优

点,近几年发展迅速,已应用于医药、化学和生物等领域。本文就微流控芯片的最新研

究进展以及它在药物分析中的应用作简要的综述。引用参考文献58篇。

关键词:微流控芯片;检测方法;药物分析;综述

中图分类号:O657 文献标识码:A 1　前言

微流控芯片(M icrofluidic Chip ),或称微全分析系统(Miniatrized To tal Analy sis System 或Micro To tal A naly sis Sy stem ,μ-TAS ),于20世纪90年代初由瑞士的M anz 等[1]

提出,是将采样、预处理、加试剂、反应、分离和检测等集成在微芯片上进行的一门新技术。该技术具有体积小、操作简单、分离效率高、样品用量少、分析速度快、操作易自动化等特点,近几年来发展迅速。

微流控芯片已成功应用于糖类、氨基酸、蛋白质、多肽、DNA 等生命科学中的分离分析研究[2]。此外,它在常规的药物分析和其它药物研究中也发挥着重要作用,如以治疗为目的的某一类药物的代谢物组学、药品质量控制、生物制品、毒物及滥用药物的定性定量分析等方面。本文就国内外近几年微流控芯片在检测技术、分析系统方面所取得的最新进展,以及在药物分析领域中的应用作一简要的综述。2　检测技术研究进展

检测技术是微流控芯片技术中相当重要的一个组成部分。自微流控芯片问世以来,检测器的研究一直是人们关注的热点。由于微流控芯片是将采样、预处理、加试剂、反应、分离和检测等集成在几何结构很小的芯片上,因此对检测器有一些特殊的要求,如灵敏度高、响应速度快、体积小等[3],其中体积问题是研究的最大障碍之一,因为它直接影响微流控芯片整体的微型化和集成化。目前,微流控芯片的检测方法主要有光学检测法、电化学检测法和质谱法等。

2.1　光学检测法

2.1.1　吸光光度法　吸光光度检测法具有可测定的物质种类多、仪器结构较简单等优点,因此应用广泛。但由于在光度检测中,灵敏度与吸收池的光程成正比,而微流控片中通道检测体积小、吸收光程短,不利于检测。但通过对吸收池结构和检测器的光电发射接收部分进行特殊设计,可以使光线在吸光池中产生多次反射,增加光程,从而提高检测灵敏度[4]。H arriso n 等[5]做了提高光程方面的研究。Co llins 等[6]的方法则是用光电二极管阵列作为检测器,提高了检测灵敏度。

2.1.2　激光诱导荧光法　激光诱导荧光检测以其高灵敏度的特性已成为目前最常用的检测手段之一,它最初多采用氩离子激光器或氦氖激光器作激发光源,现在用得越来越多的是半导体激光器

[7,8],而发光二极管(LED )由于具有体积小的优势,也开始逐渐得到了应用。Hizuru 等

[9]采用LED 、两个圆柱型透镜、一473

第4期李偶连等:微流控芯片技术及在药物分析中的应用研究进展第24卷

圆形棱镜及一分色镜、电荷耦合器件(CCD)和聚合物芯片等组装了一微芯片传感器,实现了低分子物质的在线分析。崔大付等[10]在光纤型微流控芯片上建立了用蓝色LED诱导荧光检测系统。

2.1.3　化学发光法　化学发光检测器分为普通化学发光检测器和电化学发光检测器两种。化学发光分析是公认高灵敏度的检测方法之一,并已广泛用于无机物及有机物的分析[11]。化学发光方法的优势在于仪器简单,无需光源,是微流控芯片上最容易实现微型化的检测方式之一。此种检测系统的关键在于检测池结构的设计。任吉存等[12]在聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片集成了等电聚焦和在线化学发光检测,并在芯片的背面贴上黑色胶带以提高光收集效率。

电化学发光不但具有化学发光的优势,而且发光试剂可以通过电化学的方法循环使用,解决了普通化学发光体系试剂不稳定的问题。电化学发光检测设计的关键是电极的制作和排布。A rora等[13]用聚甲基丙烯酸甲酯(PM MA)中间夹两片铂薄膜电极的方式制作了体积为纳升级的电化学发光检测池,用光电倍增管进行接收检测,并且首次将电化学发光检测器集成在一块电泳微芯片上。汪尔康[14]课题组则采用氧化铟锡(ITO)材料作为工作电极进行电致化学发光检测。

2.2　电化学检测法

2.2.1　安培检测　安培检测的原理是基于具有电活性的物质在电极上发生氧化还原反应产生电流信号而进行检测的一种方法。安培检测的灵敏度较高,但存在工作电极难对准、易被污染的问题。孟斐等[15]研制了一种由微型圆盘工作电极,半自动安培检测池集成的毛细管电泳检测芯片。Garcia等[16]采用的脉冲安培检测法,可对工作电极进行清洗,以防止电极污染中毒。Wang等[17]报道的碳纳米电极管和铜的复合电极的检测灵敏度更高,并可以在较低的检测电势下进行分离检测,且电极污染相对降低。

2.2.2　电导检测　电导检测分为接触式电导检测[18]和非接触式电导检测[19,20]。在接触式电导检测中电导电极与通道中的溶液接触,因此电极容易受到损坏。非接触式电导检测中电导电极在通道外,不与溶液接触,高频信号传送到一电极上,穿透隔层进入溶液,从另一电极检测通道中的电导信号的变化。非接触式检测器的优点在于避免了电极的钝化和污染,而且把检测系统与高压分离电场分开。本课题组[20]已实现将把非接触电导(高频电导)检测集成到了微流控芯片上,该装置中芯片电极相互独立,使用非常方便。

2.2.3　电位检测　电位检测法是利用半透膜两侧因不同的离子活度产生的电势差而实现的检测方式。但因为此种检测法是建立在离子选择性膜的基础上,具有一定的专一性,而微流控芯片通常涉及分离、检测多种物质,所以其应用相对比较少[3]。Tantra等[21]将电位检测器集成在微加工的玻璃芯片上。

2.2.4　复合式电化学检测　复合式电化学检测是将多种电化学检测方式联用的技术,不仅充分地发挥各种检测方式的优点,且可以相互补充,获得被分析物更多的检测信息,目前已受到了广泛的关注。Wang 等[22]研制的芯片毛细管电泳电导-安培双检测系统可同时检测荷电离子和电活性物质。其中电导检测是将10μm厚的矩形铝电极置于距离分离通道出口24mm处,安培检测则用厚膜碳电极作工作电极,采用喷壁式直接放置在分离通道出口处。汪尔康等[23]在芯片毛细管电泳上实现了电化学检测和电致发光的同步检测。

2.3　质谱检测法

将微流控芯片与质谱检测器(M S)联合所得到的信息最为丰富,不仅可以分离复杂混合物而且可以鉴定各组分[24-27]。质谱检测的灵敏度高,结构分析能力强,特别适用于痕量物质的检测,但微流控芯片与质谱的接口问题一直是研究的难点。目前接口主要采用直接喷雾和外接管路两种方式。罗国安等[28]设计的接口是通过外接管路将芯片中的样品送入质谱仪,并在芯片上制作了鞘流液管道,辅助样品实现稳定的电喷雾。制作时采用封装保护的方法,有效地防止了机械加工可能发生的微管道堵塞问题。

3　微流控芯片技术的最新研究进展

微流控芯片的主要优势在于实验室规模高度集成化,即将多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成[3]。但当前的微流控芯片系统[29]总体上既不够“微”,分析功能也达不到“全”。近几年来,随着微加工技术的进步,微流控芯片正朝仪器小型化、系统集成化方向发展。

G ro ver等[30]研制的微型芯片毛细管电泳系统是由4层厚度仅为4mm的芯片组成的,且仪器整体体积小。M itchell等[31]研制了微芯片合成-全分析系统,该系统可以实时平行处理多个合成反应,不需要任何样品制备及处理过程。H isamo to等[32]成功研制了将多种化学功能(混合、反应、化学修饰等)都集中到

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