毛细管电泳芯片

他们还将复杂样品的予处理过程 集成在几个芯片上完成，先在一 块芯片上进行人体基因的非特异 性放大，然后将溶液转移到另一 芯片内，进行特殊位点的杜氏肌 营养不良症的多重PCR 扩增反应， 最后将放大产物进行常规毛细管 电泳及芯片毛细管电泳分析，得 到了相似的结果。 Burns 等在一个集成化的硅片上， 对DNA 进行扩增标记后，以交联 聚丙烯酰胺凝胶为介质，通过集 成在芯片上的加热器、温度传感 器及荧光二极管对样品的流动进 行在线检测，整个过程只需4 min。




2 芯片的构造


毛细管电泳芯片狭缝的深度一般为10 ~ 40 m，宽度为60 ~ 200 m。 在最近几年中，毛细管电泳芯片的结构设计已取得了显著的进展。最 初的毛细管电泳芯片制作在表面积比较大的基片（14. 8 ×3. 9cm） 上，只有一条微通道。几年后出现了包括两条交叉通道及4 个缓冲池 （分别为样品池、废液池、阳极和阴极池）的芯片。 Jacobson 等通过将分离通道制作成弯曲的蛇形来增加分离有效距离。 为了进一步增加分离距离，Manz 等设计出了同步循环毛细管电泳芯 片：通道为环行，每一边均带有一对电极，转换电极间的电压就可使 分离物沿着环行通道迁移，从而延长分离距离。在芯片上制作微反应 室可以在线实现样品予处理及柱后衍生。为了提高单位信息量，又产 生了阵列毛细管电泳芯片。带有多条分离通道的毛细管电泳芯片具有 其独特的设计要求，通常会受到底片的大小及检测等限制。多通道微 芯片的一个成功应用是基因分型（genotyping），该芯片具有48 条平 行分离通道，可以在8 min 内分离2 组共96 个样品。但目前使用最多 的还是以单条通道为基体派生出来的包括柱前衍生等在内的各种芯片。
毛细管电泳芯片
41113105 钟超群 2014/12
简介



最近几年，以毛细管电泳为核心技术、以芯片为操作平台的芯片 毛细管电泳技术迅速崛起，并成为微全化学分析系统 （miniaturized total chemical analysis system，-TAS，又称芯片 实验室，Lab-on-a-chip）的主流技术，有可能在化学分析领域引 起新一轮变革。它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样 品的同时分析，这种快速分析的能力及分离泳道的阵列化，可以 得到极高的单位信息量。 芯片通常只消耗pL 级的样品，并且可以在线实现样品的予处理及 分析全过程，所有这些特点使得芯片毛细管电泳在新一代毛细管 电泳仪的研制中，成为一个极为活跃的热点。 分析仪器的芯片化曾在气相色谱中有所尝试，但该芯片装置一直 未能实现商业化生产，这种尝试主要的成功之处在于将微机械技 术引入到分析化学领域中。90年代初，开始了芯片毛细管电泳操 作模式的研究。目前已在芯片上进行了荧光标记的氨基酸，DNA 限制性片段，PCR 产物，短链寡核苷酸及测序片段等的分离分析 研究。






将以硅为材料制作的微型PCR 反 应室集成在芯片上，就可以制成 一个集成的DNA 全分析系统。 微型PCR 反应室具有快速的热循 环性质，可以在45 min 内完成沙 门氏菌基因的放大和分析。 Jacobson 等在同一芯片上进行了 细胞降解、多重PCR 放大及电泳 分离，在芯片上将E. coIi 细胞降 解、放大得到PCR 产物 （bacteriophage ， escherichia coli genomic DNA， and plasmid DNA），然后进行 电泳分离，整个过程只需3 min。
Fra Baidu bibliotek工技术
玻璃材料的加工目前多采用标准的光蚀刻技术，主要包括4 步：膜的沉积、 光刻、蚀刻及粘接。 膜的沉积：在玻璃表面喷涂上一层金属掩膜，通常是Cr/Au，在金属掩膜层上 涂上一层光敏剂。 光刻：用适当波长的光经模板对芯片进行曝光，用适当的腐蚀液除掉已曝光 部分的光敏剂和金属掩膜。 蚀刻：对芯片进行化学蚀刻，氢氟酸是最常用的蚀刻剂，可以通过控制温度 来调控氢氟酸对玻璃的蚀刻速率，用轮廓曲线仪监测整个蚀刻过程。微通道 蚀刻完成后，将芯片表面剩余的光敏物质膜和掩膜除掉。钻出芯片通道与外 界连接的缓冲液池，可以钻在已蚀刻的基片上或另一片空白的玻璃基片上。 粘接：将已蚀刻完成的芯片和另一空白芯片键合起来，就可形成一个完整的 芯片。通常采用加热的方法直接进行键合，即将玻璃或硅加热到一定温度， 一般为五、六百度，使两芯片之间的表面粘接在一起，几小时到十小时后冷 却。 聚合物芯片的制作技术与玻璃芯片有很大的区别，主要包括激光烧蚀（laser ablation），注模（injection molding），硅橡胶浇铸（silicon rubber casting） 或热凸印法（hot embossing）。
4.检测体系


在芯片毛细管电泳装置中，由于检测池体积极其微小， 而且分离速度很快，因此对检测体系的灵敏度和响应 速度要求很高。 目前使用最多的检测体系为激光诱导荧光（LIF），普 通的LIF 检测器通过一个共聚焦的检测体系，就可用于 芯片检测。LIF 检测十分灵敏，甚至可以达到单分子检 测水平，但它的应用范围有限，只有少数化合物经激 光激发后自身能发出荧光，而且只有有限的几个激发 波长能与商品化的激光器相匹配，因此一般需对分析 物进行荧光标记后方可进行分析。尽管LIF 已成功用于 基因分型（genotyping）的多通道检测，但发展一个 成熟的LIF 体系仍是芯片阵列毛细管电泳研究的重点之 一。
1.芯片的材料和加工技术 2.芯片的构造 3.样品处理和衍生 4.检测方法 5. 应用
1.


材料和加工技术
材料
玻璃是目前使用最多的芯片材料，它的成功应 用主要与其所具有的良好的光学性质、研究透 彻的表面性质及从微电子工业引入的成熟的微 加工技术有关。最近，各种聚合物材料也引起 了大家的注意，这主要是由于聚合物芯片易于 成形，且制作成本相对比较低廉。另外晶体硅、 陶瓷、硅橡胶等材料也可用于芯片毛细管电泳 的制作，但硅的半导体性质不太适合于高电场 强度的电泳。
3.样品处理和衍生


在毛细管电泳芯片上可以在线实现进样、样品的堆积浓缩及柱前柱 后衍生等操作。 芯片毛细管电泳分离所需样品量很小，通常为pL 级。在芯片中主要 有两种进样结构，一是由分离通道（两端分别与缓冲液池和废液池 相连）和进样通道（两端分别与样品池和样品废液池相连）所形成 的十字交叉结构；二是由连接样品池的通道和连接废液池的通道相 互交错所形成的双-T 结构。在芯片毛细管电泳中绝大多数采用电动 进样，也有极个别采用空气进样。电动进样又分为门进样（gated injection）和收缩进样（pinched sample loading）。收缩进样与门 进样的最大区别在于前者进样时分离通道两端也加有电压而不是让 其浮地，通过不同缓冲液池的电歧视效应可以减少样品渗漏，从而 减小谱带展宽。为了降低检测限，Jacobson 等在氨基酸分析中采用 堆积进样法对样品进行予浓缩。有时样品中的主要组分可能会使其 中的微量组分分析受到影响，通过区带操作可以显著减少这种影响。 区带操作可以用来改变分离过程中样品的迁移方向，以便进行片段 收集和各种分析。采用停流法收集片段会导致样品的严重稀释，在 芯片分析中，要收集的片段可以通过电动控制从分离通道进入分支 通道内，分离出来的样品成分几乎被稀释了4 个数量级以上。



其他的可用于芯片的检测体系有质谱、电化学、喇曼光 谱法及全息折射指数法（holographic tefractive index detection）等。 在最初的芯片毛细管电泳与电喷雾离子化质谱（ESI/MS） 的联用中，只是利用芯片的电渗流将样品注入MS，而 没有分离的功能。1999 年Harrison 等首先实现了芯片 毛细管电泳在线分离与电喷雾离子化质谱（ESI/MS）的 联用。 电化学检测由于体积小，有利于整个芯片系统的微型化， 因此近年来也受到了很大的重视。Wooly 等利用电化学 检测体系对DNA 片段进行了分析，为了减少分离高压的 影响，工作电极位于距分离通道端口30 m 处，对电泳 分离后的物质进行柱外检测，在这个装置中 Ⅲ限制性片段的间接检测限可达28 zmol。
5. 应用

核酸分析 肽和蛋白质 其它应用
（1）核酸分析


芯片毛细管电泳前沿应用领域之一是核 酸分析，包括寡核苷酸、RNA、基因分 型及DNA 测序。 DNA的芯片毛细管电泳分析主要采用LIF 检测，但也有用电化学检测的。到目前 为止，芯片毛细管电泳已对短寡核苷酸 片段， Ⅲ 等DNA 限制性片段，RNA 核糖体等进行了分离分析研究。

由芯片毛细管电泳所进行的基因 型分析是一个发展相当迅速的领 域，可以对与各种遗传病有关的 基因进行快速鉴定。
如血色病（hemochromatosis）、杜 氏肌营养不良症（duchenne/becker muscuIar dystrophy）等。Wooly 等 于1997 年使用芯片阵列毛细管电泳 装置分析了来自HLA-H 基因（一种与 遗传性血色病诊断有关的基因）的限 制性片段，采用激光扫描法平行分析 了12 个噻唑黄（thiazole orange） 标记的样品。最近他们又利用具有96 个样品池、48 个分离通道的芯片， 在8 min 内完成了96 个血色病样品 的同时分析。Jacobson 等在一硅-玻 璃芯片上进行了具有特殊位点的因缺 失而引起杜氏肌营养不良症的多重 PCR 产物分析。 以上工作表明毛细管电泳芯片在基因 型鉴定领域具有极大应用潜力。

在半导体工业已有的微加工技术的基础上，通过光蚀 刻或微注模技术在芯片上制作出用于进样和分离的微 小通道，是现阶段电泳芯片加工的一般途径。毛细管 电泳分离以电渗流为主要驱动力，通过电压切换即可 实现液体流动、进样和分离，不需要额外的泵和阀。 另一方面通过光刻技术制成的电泳通道为自然连接， 使整个系统的死体积小到可以忽略，再加上芯片易于 阵列化，潜在价格低廉等原因，自90 年代初诞生以来， 芯片毛细管电泳便得到了飞速的发展。下面将主要介 绍芯片的加工技术，芯片中通道的设计和毛细管电泳 技术在芯片上的应用。


另外，还有人尝试将喇曼光谱法和全息折射指 数法用于芯片毛细管电泳的分离检测。WaIker 等利用喇曼光谱法对农药的芯片等速电泳分离 进行了检测，以8 的分辨率，2 - 5 光谱/s 的速率进行数据采集，以980 喇曼光为内 标，所配制的标准样品浓度范围为 mol/L。 Burggraf 等利用全息折射指数检测法对浓度为 33 mmol/L 的寡糖进行了分析，检测限较差。


自然界中大部分物质本身没有荧光，为进行激光 诱导荧光（LIF）检测，通常需对它们进行荧光 标记。标记可以在柱前完成，如在毛细管电泳分 离之前，或在柱后完成，对已分离的物质进行标 记并检测。 Jacobson 等在芯片上制作了1 nL 的微反应器用 以实现柱前衍生。对背景电解质、样品及试剂进 行电动控制，就可以实现对通道内流体的精确控 制。对于柱后样品衍生，在毛细管电泳分离通道 的末端集成一个微反应器即可实现。反应器可能 会引起大约10%的谱带展宽。

阵列毛细管电泳芯片在DNA 测 序方面的应用一直是研究的重点， 特别是随着人类基因组工程的发 展越来越引起广泛的重视。
Mathies 实验室首先于1995 年开始 了毛细管电泳芯片的DNA 测序应用 研究，以变性聚丙烯酰胺为筛分介质， 以能量转移染料标记的DNA 片段为 测序样品，有效分离长度为3.5 cm， 在10 ~ 15 min 内完成了150 ~ 200 碱基片段的单碱基分离。该实验室最 近在具有96 条放射状分布的阵列毛 细管电泳芯片上（其中每条弯曲的分 离通道有效长度为16 cm），在25 min 内完成了四色M13 标准DNA 测 序反应的分离，平均可读片段长度达 到430 bp。以上几项研究表明芯片毛 细管电泳在高速、高信息通量的DNA 测序领域具有巨大的应用前景。