对微流控元件的多元化应用分析

1、对微流控元件的多元化应用分析摘 要：微流控元件已经是现在企业及研发人员所离 不开的设备，它具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、 分析速度成十倍上百倍地提高等特点，且它可以在几分钟甚 至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线 实现样品的预处理及分析全过程。本文即以微流控芯片为基 础，讲解了微流控芯片在生命科学领域、化学领域、医学领 域的应用。【关键词】微流控芯片 生命科学 生命规律探索 多领 域学科1 引言 微流控芯片是一种微流体界面精确操作技术，也是最为 重要的前沿性分析技术之一。微流控芯片的特点在于可实现 常规实验室诸多基本功能的微型化和集成化。它的目标是把 整个化验室的功能，

2、 包括采样、 稀释、加试剂、 反应、分离、 检测等集成在微芯片上，且可以多次使用。相对于传统分析 技术而言，微流控芯片是“微”而“全”的分析技术平台。 微流控芯片技术涉及多学科交叉研究领域，在有机合成、疾 病诊断、药物筛选、环境监测等方面都有广泛的应用。目前 微流控芯片已随着全微分析系统向着微型化、集成化、便携化、自动化方向发展随着微流控芯片的快速发展，微流控实验室的概念应运 而生，指的是把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反 应、分离、检查等基本操作单元集成到一块几平方厘米（甚 至更小）的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整 个系统，用以取代常规实验室的各种繁杂器件的一种技术。2 微

3、流控芯片在生命科学研究领域的发展 目前，微流控芯片技术正向生命科学研究领域大范围地 发展。细胞是生物界中不可或缺的一部分。细胞中蕴含着人 类迄今为止所不知的奥秘。而细胞研究正是揭开生命奥秘、 改造生命和征服疾病的关键。随着对生命规律探索的不断深 入，对实时、动态的研究手段的需求使得新的生命分析技术 与方法不断涌现。微流控芯片技术能够在其容纳流体的有效 结构（通道、反应室和其它某些功能部件）内至少在一个纬 度上为微米级尺度上开展多种细胞研究。由于是微米级的结 构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能。 因此发展出独特的分析性能。而正是这种不同的特性使人们 看到了细胞的另一面，这对我们认

4、识细胞有很大的作用。细胞操纵是利用微流控芯片将细胞运送到指定位置，固 定后进行细胞成分、结构和功能等分析。细胞操纵是研究人 体细胞的重要手段之一。目前在微流控芯片上进行细胞操纵 的手段主要有：机械操纵法、光学操纵法、电场操纵法等。2.1 机械操纵法机械化操纵法主要是使用机械加工技术进行高精度加 工，在芯片上蚀刻出各种结构，并根据细胞的尺寸进行差异 化物理分离的方法。它具有工作原理简单，不需要特殊处理 的优点。缺点是需要使用高精度加工设备，成本较高，结构 复杂，且要求目标细胞与其有明显的差异。2.2 光学操纵法 光学操纵是指当光束照射到细胞时，其势能对细胞产生 作用力，细胞在这个力的作用下被捕获

5、到分析位置。其优点 是不接触、不损伤细胞，减少了实验误差，可便于微米范围 内的精细操作及定位。但其设备价格昂贵，且仅能用于短距 操作。3 微流控芯片在化学领域的应用 目前，微流控芯片在化学领域的应用方向主要有 DNA 测 序、单细胞分析、蛋白质分析、单分子分析等。在实际应用 中我们常利用电泳技术分离并记录电泳图谱，以用于分析个 体间的遗传差异等。微流控芯片也是如此，可将芯片溶液中 的电荷颗粒，在电场影响下向着与自身带相反电荷的电极移 动，这有助于我们加快对化学制剂的定量分析。3.1 DNA 测序 在上述研究方向中，核糖核酸序列分析的根本手段是DNA 测序，而核糖核酸是遗传信息传递过程中的桥梁，

6、对研 究人体奥秘的重要性不言而喻。在此领域， Mathies 等人在 改善芯片性能的同时，利用 96 通道微阵列芯片，完成了平 均长度为 430bp 的序列分析。 Bachhouse 等人在 50cm 长的 分离通道实现700dp的序列分析，仅用2.5h。这些研究成果 均采用微流控芯片技术，其优点是：提高了速度，减少了消 耗，具有很大的发展潜力。3.2 单细胞分析人类的重大疾病（癌症） ，皆由细胞所发。以现在医疗 水平而言，癌症并未被攻克，则对重大疾病的早期发现和预 防成为了现代医学的重点。微流控芯片以其网络结构和微米 级的通道尺寸使简化和分析病变细胞成为可能，这对我们充 分的认识细胞大有好处

7、。而在实际操作中，样品细胞需要在 芯片的复杂微通道上进行多种试剂、多个步骤的预处理，这 虽然有高精度与耗样少的优点但却会使技术难度与操作难 度成倍提高。虽然在技术上有诸多难点，但却阻挡不了人们 对它使用的步伐。例如，高健等人在芯片上以人的血红细胞 为对象，采用电泳缓冲液和高电场技术完成了细胞的快速溶 膜，这为我们提供了新的研究平台，提供了新的方法。3.3 蛋白质分析 蛋白质的筛分对认识病原体与正常细胞的特征区别有重要意义，而微流控芯片的高精度分析性又正好支持了这一 要求。对病原体微生物基因组的特征性片段及基因变异的多 位点和特征性分析，将有助于我们认识病原微生物的所属种 类、致死率、抗药性、亚

8、型、致病性、同源性、多态性和变 异的各种特征，可加快研究人员研究和设计出对该病原微生 物的防治方法及特效药，为疾病的诊断和治疗提供一个很好 的切入点。目前在实际应用过程中，研究人员常利用电泳技 术结合对酶反应物检测技术来研究各种病原体表面蛋白质 特性，且对其它更加复杂的蛋白质成分的分析方法也已经建 立。4 微流控芯片在医学领域的发展细胞是生物最基本的组成单元，在已知的重大疾病中， 肿瘤（CSC也是威胁人类健康的主要疾病之一。目前在医 学领域，已经在白血病、脑癌等肿瘤组织中成功分离出了肿 瘤干细胞，深入了解肿瘤干细胞的生物学特性、发展相应的 鉴别方法以及特殊的治疗手段对癌症的临床治疗有着重要 的

9、意义。而微流控芯片在肿瘤细胞的研究上有无可比拟的优 势。微流控芯片在医学领域的优势：微流控芯片具有操作灵活、整体可控的和规模生成的特点。其在细胞研究 中的特点及优势为：（1）其微通道尺寸与典型哺乳类细胞直径大小相合， 这利于单细胞的操纵和分析；（ 2）芯片的多维网络结构形成相对封闭环境，与生理 状态下细胞的空间特征接近，这对我们研究细胞在常态下的性状大有好处；（ 3）芯片的微通道尺寸决定其传热及传质较快，可以 提供有利的细胞研究环境。5 对微流控芯片的总结与展望 本文从三个方面简单的分析介绍了微流控芯片在实际 应用中的各种特点及优势，虽然微流控芯片在各领域的分析 能力无可替代，但其不足之处也值

10、得我们注意。例如，在芯 片注塑成型阶段须注意温度、压力、成型周期这几个参数， 过与欠都将成为废品。且应用材料单一及微小沟道复制度不 高、芯片的生化反应的可控性不强，集成能力不够高，也是 芯片发展亟待解决的问题。虽然微流控芯片的技术难点仍有很多，但随着微流控芯 片的产业化，芯片的各种优点正在不断被人们所挖掘，不难 想象未来微流控芯片在生化及各领域的蓬勃发展。参考文献1Whitesides G M.Nature ，2006，442（ 7101 ）：368-373.2 方肇伦，方群微流控芯片发展与展望 J现代科学仪 器， 2001， 4： 3-6.3 ， 2008， 26（12）：1345-1346

11、.4 Zhang Q， Xu J J， Liu Y， Chen H Y.Lab Chip， 2008， 8 （2）：352-357.5 Xu B Y， Xu J J， Xia X H， Chen H Y.Lad Chip， 2010， 10 （21）：2894-2901.6 刘文明.微流控细胞芯片生命分析应用多元化J分析化学， 2012， 1：24-31.7 朱天淳.激光光镊对生物细胞操纵的研究J中国血液流变学， 2002，12（ 3）： 179.8 田静.微流控芯片在生物化学分析中的应用J科技情报开发与经济， 2005，15（12）： 138.9 林炳承，秦建华微流控芯片分析化学实验室J高等 学校化学报， 2009， 30（ 3）：433-445.10 田曦亮 .基于微流控技术平台的骨髓间充质干细胞分 选、诱导并促进轴突再生的实验研究 D. 大连医科大学附属 第一医院， 2013， 4.11 庞中华微流控芯片技术的现状与发展 J.塑料，2010， 3（39）：11-13.12 徐溢.微流控分析