芯片实验室英Word版

1、微全分析系统 介绍 理论 技术本综述内容一、历史：1、早期(1975-1989) 2、复兴(1990-1993) 3、增加到临界点(1994-1997) 二、小型化理论：1、早期概念 2、理论描述和模拟三、技术工艺：1、微组装 2、结合技术3、表面修饰4、设计 5、接口与互联 6、微波和流量调节 7、微泵四、文献引用本领域相关的关键知识有：换能器、微转录扩增系统、高效毛细血管电泳。由于本文是第一个芯片实验室方面的综述，所以从理论讲起。早期阶段：25年前，第一个小型化分析设备是焊接在硅上的气象色谱分析仪。2 / 22复兴阶段：技术工艺：表面处理工艺、与检测设备的衔接、微组装工艺的成熟导致了微流控

2、装置的出现。Micro Total Analysis Systems: Latest Achievements微全分析系统逐渐成熟，表现在逐渐增多且质量也在提高的文章，芯片实验室需要种种化学分析设备以及相关科学和技术学科的支持。本文所采用的文章都是在2006年3月到2008年2月之间的。本文还采用了以前的综述文章以及十年间的芯片实验室的进展方面的图表。通过关键词搜索能在网络中找到几千篇相关文章，多数发表在Analytical Chemistry 和Lab on a Chip。现在关注的优秀文章集中在以下几个方面：scaling effects（标定效果）,optofluidic technol

3、ogies（可视流体技术）, single molecule detection（单分子检测）, reaction control（反应液控制）, cell chips（细胞芯片）。and diagnostics for global public health（健康诊断）定标效应、光学流体技术、单分子检测、反应控制、细胞芯片、健康诊断。我们的目标集中在化学流体分析系统，从而忽略了其他领域比如生物传感器、生物芯片、微量化学分析系统，另外，由于微组装是一个很大的课题，我们选择的方向有限，最关注的是表面修饰。实际上，这个领域跨越的学科很广泛，很难完全把它同别的领域区别开来。现在最吸引人的进步是液滴

4、技术的爆发性研究，从而使分析仪器能处理分散的微流体。技术微组装技术,使用液晶显示器的无掩膜光刻技术具有一个华东的透镜，分辨率达到2-8微米。遮蔽物也可以用金属转膜从低表面能量氟化乙烯丙烯产生小角膜接触镜并且用远端曝光产生纳米结构。对芯片实验室来说3-D微结构用处很大。深度SU-8膜的多角背部曝光被用来集成复杂的细致的微通道。还有一种是多层的不对称U-8微粒子组装。三氧化二铝的电化学阳极化能产生高比率的纳米空隙。这些被用来完成大面积的纳米柱组装聚合模子。通过简单的解链和溶解作用打印的蜂蜡结构也能作为模子。对于3-D微电极阵列的组装，金属能在微塔器上电镀形成图案，模子使用准分子激光器刻制的。也有人

5、制作了很长的（8MM）多层碳纳米管。这个让人印象深刻的锁头样子的束是通过对在金属催化剂的帮组下对三氧化二铝金属层的热化学蒸汽处理得到的。玻璃是众所周知的很难加工的材料。阴极的电化学排泄加工也被用来精炼3-D垂直墙的微结构。阳极的电化学排泄加工也结合空泡形成和溅射效应。也有人用多聚二甲基硅氧烷制造了可控制尺寸的水泡。苯甲酮也可以作为光敏催发剂用于小于365纳米的多聚二甲基硅氧烷构造。甲基丙烯酸甲酯表面修饰是微构造的一个主要方面。生物物质：生物相容性的或者生物物质也得到了重视。有人使用微流体结合显微镜辅助的光聚合作用构造3-D构型的复合生物物质。微流控被用来弥散限制的离子交联。很多组装使用了脂质。

6、集成和接口：微通道包裹需要与第二亚基层的结合。绑定、交联、接口。光学整合作用：成分、波导微流体控制：阀门和转换、流体处理器基本操作：1、样品准备，1.1相萃取 液-液相是分离萃取丰富待检物质的优秀方法，布洛芬对映选择性分层由三项分层液体包括样品混合液、离子层和恢复层。使用5层液体把尿素从蛋白中分离。1.2细胞选择：样品的丰富具有重要作用，有人使用抗体包被磁力念珠在PCR扩增反应之前富集了登革热病毒。在双向电泳中使用抗体富集单核细胞增多性李司忒(氏)菌的效率大约是90%。也能使用一种叫做pixellation的方法把细胞从移源基因层分离出来，即样品在微流体槽中被解构层微小液滴以实现线性化和高分辨

7、率图像。1.2细胞裂解：对细胞内物质（多数是核苷酸）的检验需要裂解细胞。一种能连续流动电穿孔介导的细胞裂解效率大概是80%。有人使用圆柱塔状电极产生均一的电厂提高白细胞裂解效率。有人用小于等于1MHz的电穿孔术结合梯形缩紧通路裂解了西葫芦原生质体。激光降解是另外一种方法.有人用808纳米的激光照射40秒刺激免疫磁珠来降解人类血清中的一些病原。细胞悬浮液可以用单一的汽化空泡声纳裂解。也可以用十二烷基硫酸钠降解细胞，使用多层的微通道第一次捕捉到了单个的哺乳动物细胞。有人使用氢氧化物离子的原位电化学方法来裂解细胞。1.3DNA分离：细胞裂解之后待分析物质需要从混合液中纯化出来。纳米多孔阳极化硅被用来

8、从血液中萃取和纯化DNA。有人把细胞捕捉和DNA螺旋混合结合起来，利用DNA优化的在4度绑定和80度洗脱来纯化分离全血中的DNA。对于痕量样品的分析，杨秀荣汪而康 董少俊有人使用微线圈阵列完成小液滴的传递（由磁性微粒提供）经过多步的操作实现了从10个细胞中得到了DNA的纯化。对于稀有RNA样品，有人用硅质微流控芯片实现了大样品的高流速和低压力有人发明了一个细胞的表达系统用于mRNA的分离以及后继的CDNA合成和纯化。除了传统的硅基固体纯化方法，也有人用纳米孔铝膜完成DNA抽提。有人用金纳米颗粒修饰的羟丙纤维素溶液进行芯片原位DNA预浓缩，同时作为一种电烙术标签提高了大约25000倍的灵敏度。蛋

9、白准备：由于蛋白不能进行扩增，所以蛋白的预浓缩就对于下游工作具有重要意义。有人使用离子通透膜实现了超过10000倍的蛋白预浓缩。等速电泳法是另外一种高效的蛋白浓缩方法。用短暂等速电泳法实现了人血清白蛋白及其免疫复合物800倍的信号增强。对于染料模式的蛋白，短暂等速电泳法通过电渗流悬浮改变领先和跟踪的信号得到百万倍的信号增强。用多聚二甲基硅氧烷形成的两个回文状电场，成镜面对称，在阳极实现了1000-1000000倍的阴离子富集。一系列的电泳分离，选择、消化后进入微流控系统的数十微升样品的准备在质谱分析之前。植入胰蛋白酶的溶胶-凝胶剂能在几秒钟内实现蛋白的有效和低容量消化。数字化Electrowe

10、tting-on-dieletric微流控也能作为蛋白的准备方法，有人用这个方法注射和分离：注射，把分散的样品注射入微通道对于样品的高效分离是常重要的。对于几乎连续不断的样品注射，具有前后门0.1秒脉压的电动模式可以被使用。纳升样品的注入可以通过整体的电渗流泵产生的无气泡液体<2 kV with a <10 A current实现。为了减少液体分散和样品，可以通过一个T字接头的区带电泳系统加强电流。一个下游扩展室能被用来控制样品的形状。有人证明纳米孔膜能在注射入下一个通道的时候起到门的作用。对于纯的机械注射来说，有人用荧光碳包被的具有滑动膜的玻璃实现可重复使用的10纳升的计量。分离

11、：各种化学成分的分离一开始就处于芯片实验室的核心位置。有人发展了一种弹性的等离子体解析质谱法，把他和一种微结构阵列相结合，具有带通滤波，有纳米级的精度，能让粒子和微生物分子分离。手征性的色氨酸旋光对映体被一个亲水稳定相结合牛血清白蛋白共轭的单壁碳纳米管，亲水物质的高效的毛细管胶束电动色谱色谱法能通过有活性的SDS包被的假稳态相。通过样品捕捉、部分注射和毛细管胶束电动色谱法灵敏度提高了393倍微流控芯片的应用：1、临床诊断1.1生物流体分析微流动血液成分分析能完成很多健康指标检测。使用非荧光标记的微流控光学阻抗分析，能鉴定牛巴贝虫感染的红细胞。在输血配比时，传统的凝集反应可以被转移到自动化的微流

12、控芯片上，把使用者的血液和备用血液微观混合。另外一种便宜的基于细胞亲和层析技术的CD4淋巴细胞阳性计数微流控芯片能用于判断艾滋病的阶段。也有工作者用微流控芯片检测血清中酶对碘氧基苯甲醚能来判断肝、肾脏疾病阶段，他使用温度控制的电泳微芯片，以乳酸盐脱氢酶完成碘氧基苯甲醚的分离，并使用一个在线生物活性阵列来衡量结果。在药品检测方面，多聚膜制作的电流检测微流控芯片上打印对吗啡敏感的结合分子，能快速简便的检测吗啡。1.2抗体基础上的诊断ELISA模式能很方便的集成到微流控芯片上，磁珠既可以作为免疫反应的固体支持物，也可以作为快速免疫反应的微观混合器。使用微构造床代替标准的侧面转移膜，可控制的微细管液体

13、流进行C反应蛋白表面反应免疫检测。使用微构造膜的垂直ELISA能用来检测壬基苯酚。心形路线的微流控芯片，应用2-D磁力操作的微滴法能实现多步ELISA。1.3核苷酸检测CD平台能用来从白血病病人的血液中快速高质量的提取假丝酵母的DNA，配合PCR和芯片检测，本方法的灵敏度能达到8cfu/ml血液。经过12分钟的样品准备后能用微粒子的激光激活裂解细菌和病毒并且捕捉核苷酸序列。也可以用抗体包被微粒子在复杂环境中捕捉抗原。一个结合磁珠的完全集成化芯片实验室已经开发完成，可用于粪便中沙门氏菌捕捉和PCR扩增。相似的，磁珠也能与芯片实验室结合完成逆转录扩增前的登革热病毒和肠道病毒71的RNA捕捉。超顺磁

14、性的粒子能用来完成微粒子的运送，有人用这种方法完成了咽拭子中H5N1的快速分离（28分钟内）、纯化、预浓缩（500倍）和RT-PCR检测。1.4癌症诊断有一些生物标记物和参数能用来监控癌症。微流控RT-PCR和CE方法结合能检测多种骨髓瘤中免疫球蛋白重链的迁移和重排。蛋白表达和抗原基础上的方法也是有效的。1.5辅助生殖技术体外受精一个最主要的难题就是单个的精子的分离，这可以通过静水压力产生的平行流微流控芯片实现。2核苷酸分析2.1序列分析现在PCR技术的微型化仍然是人们的兴趣热点。低千兆赫微波且具有微通道的微流控芯片，加热升温速度是40度每秒，而降温效率更高达到60度每秒，作为静电反应器的替代

15、品，液体在环状区域内流动。不同温度区组成环状区域。除了用于PCR扩增，SANGER测序也可以通过环形持续流动液体微反应器完成。门外感应器，小液滴，介导性运输，有人使用薄膜白金加热器完成PCR片段扩增，静止液滴热循环的微装置也有人报道。随着T字形通道的深入使用，液体的体积能达到皮生（10-18）的水平，从而实现单拷贝的PCR扩增。并行的高通量的研究也是热点，高密度弹性阀门用来形成72道并联的450微升的RT-PCR系统。有人在此基础上，设计了12个操作盘的平台，每个操作盘有1176个小室，用于检测肠道微生物群的多基因分析。高通量系统也可用于单个基因分析。PCR容易和别的分子生物学方法结合来提高灵

16、敏度和提高序列分辨率。基于芯片的PCR后连接检测反应可以检测低拷贝点突变。相似的，把RT-PCR和电泳条带大小检测整合在一起可以达到阿(托)10-18摩尔的灵敏度(<11 RNA 模版)，反应液体积为380纳升。另外一个RT-PCR结合了单细胞捕获和裂解可以用于整个转录子的检测。除了序列扩增之外，微流控芯片还可以和编码微串珠结合产生可移动杂交平台用于多重复杂的序列分析。序列和点突变也能通过微流控芯片检测。大的DNA片段的分离需要许多基因分析设备。循环电动混合曾经被用来做电泳后快速限制性酶切消化。使用间隔为500纳米的纳米柱阵，不同的千-碱基大小的DNA片段能被迅速分离，原理是螺旋半径不同

17、。有人使用了自组装的硅纳米颗粒基质循环阵列，用于50-50000bp的DNA片段的断口显微摄影。不同的DNA大分子构象具有不同的表面特征。在电泳时，金纳米点作为阻塞点能用来分离线性的，松弛的，超螺旋的和分子量不同的生物大分子DNA。2.2DNA的生物物理学 DNA链的物理和化学行为对科学家具有很大的吸引力。用羟乙胺流体系统可观察DNA-荧光染料的扩散反应动力学。用多通道平台可找到真核细胞转录子的DNA结合区。使用纳米孔电场可观察单分子DNA的易位。纳米流体通道也能用来DNA分子的定向和伸展，用来观察限制扩散流体相互作用。3 蛋白质3.1分离微流控芯片技术很适合用来完成庞大的多样化的蛋白质组学研

18、究。Emrich等设计了一种双向分离胶电泳用来分离大肠杆菌细胞中诱导产生的蛋白质。转铁蛋白亚型的分辨率达到0.1PH/PI，用碳纳米茎上的抗体捕捉后，硝酸纤维素微孔可以用来离子交换层析分离亚型。一个平行薄片电泳系统使用样品和不同PH液体的混合完成不断的流体等电聚焦。 蛋白消化能增强氨基酸序列分析。一个纤维填充的通道生物反应器被用来5秒钟内完成序列胰蛋白酶消化，然后用电力飞行质谱进行了序列分析。高水平功能性整合弹性液压阀能用来完成电动分离、蛋白分离、固相萃取、蛋白消化等，以上集成在一个芯片上，随后进行质谱检测。Huang等在微流控芯片上整合了单细胞操作、裂解、蛋白标记和分离，然后通过光学显微镜观测，结果完成从单个昆虫细胞和蓝菌中高效的蛋白萃取物分子计数（大约60%）。微流