微流控芯片技术的研究进展

1、微流控芯片技术的研究进展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

2、等领域的研究热点。一、微流控芯片技术的提出与发展一、微流控芯片技术的提出与发展1.提出提出 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

3、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。 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

4、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。二、微流控芯片技术在生物分析中的应用二、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。21 核酵分析核酵分析 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。Me

5、dintz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。22 肽和蛋白质分析肽和蛋白质分析 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

6、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。23氨基酸分析氨基酸分析 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。24细胞分析细胞分析 流控芯片通道宽度一般为1050m ，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，

7、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25 药物分析与筛选药物分析与筛选 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

8、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。26免疫分析免疫分析 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

9、。 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。27酶分析酶分析 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65 m的反应器，填人固定化乳酸氧化酶的多

10、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。28单分子检测单分子检测 Haab和MaehiesI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ds-DNA片断(1001 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