對微流控元件的多元化應(yīng)用分析

1、對微流控元件的多元化應(yīng)用分析摘 要：微流控元件已經(jīng)是現(xiàn)在企業(yè)及研發(fā)人員所離 不開的設(shè)備，它具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、 分析速度成十倍上百倍地提高等特點，且它可以在幾分鐘甚 至更短的時間內(nèi)進行上百個樣品的同時分析，并且可以在線 實現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程。本文即以微流控芯片為基 礎(chǔ)，講解了微流控芯片在生命科學(xué)領(lǐng)域、化學(xué)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】微流控芯片 生命科學(xué) 生命規(guī)律探索 多領(lǐng) 域?qū)W科1 引言 微流控芯片是一種微流體界面精確操作技術(shù)，也是最為 重要的前沿性分析技術(shù)之一。微流控芯片的特點在于可實現(xiàn) 常規(guī)實驗室諸多基本功能的微型化和集成化。它的目標(biāo)是把 整個化驗室的功能，

2、 包括采樣、 稀釋、加試劑、 反應(yīng)、分離、 檢測等集成在微芯片上，且可以多次使用。相對于傳統(tǒng)分析 技術(shù)而言，微流控芯片是“微”而“全”的分析技術(shù)平臺。 微流控芯片技術(shù)涉及多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，在有機合成、疾 病診斷、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測等方面都有廣泛的應(yīng)用。目前 微流控芯片已隨著全微分析系統(tǒng)向著微型化、集成化、便攜化、自動化方向發(fā)展隨著微流控芯片的快速發(fā)展，微流控實驗室的概念應(yīng)運 而生，指的是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反 應(yīng)、分離、檢查等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米（甚 至更?。┑男酒?，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整 個系統(tǒng)，用以取代常規(guī)實驗室的各種繁雜器件的一種技術(shù)。2 微

3、流控芯片在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展 目前，微流控芯片技術(shù)正向生命科學(xué)研究領(lǐng)域大范圍地 發(fā)展。細胞是生物界中不可或缺的一部分。細胞中蘊含著人 類迄今為止所不知的奧秘。而細胞研究正是揭開生命奧秘、 改造生命和征服疾病的關(guān)鍵。隨著對生命規(guī)律探索的不斷深 入，對實時、動態(tài)的研究手段的需求使得新的生命分析技術(shù) 與方法不斷涌現(xiàn)。微流控芯片技術(shù)能夠在其容納流體的有效 結(jié)構(gòu)（通道、反應(yīng)室和其它某些功能部件）內(nèi)至少在一個緯 度上為微米級尺度上開展多種細胞研究。由于是微米級的結(jié) 構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能。 因此發(fā)展出獨特的分析性能。而正是這種不同的特性使人們 看到了細胞的另一面，這對我們認

4、識細胞有很大的作用。細胞操縱是利用微流控芯片將細胞運送到指定位置，固 定后進行細胞成分、結(jié)構(gòu)和功能等分析。細胞操縱是研究人 體細胞的重要手段之一。目前在微流控芯片上進行細胞操縱 的手段主要有：機械操縱法、光學(xué)操縱法、電場操縱法等。2.1 機械操縱法機械化操縱法主要是使用機械加工技術(shù)進行高精度加 工，在芯片上蝕刻出各種結(jié)構(gòu)，并根據(jù)細胞的尺寸進行差異 化物理分離的方法。它具有工作原理簡單，不需要特殊處理 的優(yōu)點。缺點是需要使用高精度加工設(shè)備，成本較高，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，且要求目標(biāo)細胞與其有明顯的差異。2.2 光學(xué)操縱法 光學(xué)操縱是指當(dāng)光束照射到細胞時，其勢能對細胞產(chǎn)生 作用力，細胞在這個力的作用下被捕獲

5、到分析位置。其優(yōu)點 是不接觸、不損傷細胞，減少了實驗誤差，可便于微米范圍 內(nèi)的精細操作及定位。但其設(shè)備價格昂貴，且僅能用于短距 操作。3 微流控芯片在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 目前，微流控芯片在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方向主要有 DNA 測 序、單細胞分析、蛋白質(zhì)分析、單分子分析等。在實際應(yīng)用 中我們常利用電泳技術(shù)分離并記錄電泳圖譜，以用于分析個 體間的遺傳差異等。微流控芯片也是如此，可將芯片溶液中 的電荷顆粒，在電場影響下向著與自身帶相反電荷的電極移 動，這有助于我們加快對化學(xué)制劑的定量分析。3.1 DNA 測序 在上述研究方向中，核糖核酸序列分析的根本手段是DNA 測序，而核糖核酸是遺傳信息傳遞過程中的橋梁，

6、對研 究人體奧秘的重要性不言而喻。在此領(lǐng)域， Mathies 等人在 改善芯片性能的同時，利用 96 通道微陣列芯片，完成了平 均長度為 430bp 的序列分析。 Bachhouse 等人在 50cm 長的 分離通道實現(xiàn)700dp的序列分析，僅用2.5h。這些研究成果 均采用微流控芯片技術(shù)，其優(yōu)點是：提高了速度，減少了消 耗，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?.2 單細胞分析人類的重大疾?。ò┌Y） ，皆由細胞所發(fā)。以現(xiàn)在醫(yī)療 水平而言，癌癥并未被攻克，則對重大疾病的早期發(fā)現(xiàn)和預(yù) 防成為了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重點。微流控芯片以其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和微米 級的通道尺寸使簡化和分析病變細胞成為可能，這對我們充 分的認識細胞大有好處

7、。而在實際操作中，樣品細胞需要在 芯片的復(fù)雜微通道上進行多種試劑、多個步驟的預(yù)處理，這 雖然有高精度與耗樣少的優(yōu)點但卻會使技術(shù)難度與操作難 度成倍提高。雖然在技術(shù)上有諸多難點，但卻阻擋不了人們 對它使用的步伐。例如，高健等人在芯片上以人的血紅細胞 為對象，采用電泳緩沖液和高電場技術(shù)完成了細胞的快速溶 膜，這為我們提供了新的研究平臺，提供了新的方法。3.3 蛋白質(zhì)分析 蛋白質(zhì)的篩分對認識病原體與正常細胞的特征區(qū)別有重要意義，而微流控芯片的高精度分析性又正好支持了這一 要求。對病原體微生物基因組的特征性片段及基因變異的多 位點和特征性分析，將有助于我們認識病原微生物的所屬種 類、致死率、抗藥性、亞

8、型、致病性、同源性、多態(tài)性和變 異的各種特征，可加快研究人員研究和設(shè)計出對該病原微生 物的防治方法及特效藥，為疾病的診斷和治療提供一個很好 的切入點。目前在實際應(yīng)用過程中，研究人員常利用電泳技 術(shù)結(jié)合對酶反應(yīng)物檢測技術(shù)來研究各種病原體表面蛋白質(zhì) 特性，且對其它更加復(fù)雜的蛋白質(zhì)成分的分析方法也已經(jīng)建 立。4 微流控芯片在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展細胞是生物最基本的組成單元，在已知的重大疾病中， 腫瘤（CSC也是威脅人類健康的主要疾病之一。目前在醫(yī) 學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)在白血病、腦癌等腫瘤組織中成功分離出了腫 瘤干細胞，深入了解腫瘤干細胞的生物學(xué)特性、發(fā)展相應(yīng)的 鑒別方法以及特殊的治療手段對癌癥的臨床治療有著重要 的

9、意義。而微流控芯片在腫瘤細胞的研究上有無可比擬的優(yōu) 勢。微流控芯片在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢：微流控芯片具有操作靈活、整體可控的和規(guī)模生成的特點。其在細胞研究 中的特點及優(yōu)勢為：（1）其微通道尺寸與典型哺乳類細胞直徑大小相合， 這利于單細胞的操縱和分析；（ 2）芯片的多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成相對封閉環(huán)境，與生理 狀態(tài)下細胞的空間特征接近，這對我們研究細胞在常態(tài)下的性狀大有好處；（ 3）芯片的微通道尺寸決定其傳熱及傳質(zhì)較快，可以 提供有利的細胞研究環(huán)境。5 對微流控芯片的總結(jié)與展望 本文從三個方面簡單的分析介紹了微流控芯片在實際 應(yīng)用中的各種特點及優(yōu)勢，雖然微流控芯片在各領(lǐng)域的分析 能力無可替代，但其不足之處也值

10、得我們注意。例如，在芯 片注塑成型階段須注意溫度、壓力、成型周期這幾個參數(shù)， 過與欠都將成為廢品。且應(yīng)用材料單一及微小溝道復(fù)制度不 高、芯片的生化反應(yīng)的可控性不強，集成能力不夠高，也是 芯片發(fā)展亟待解決的問題。雖然微流控芯片的技術(shù)難點仍有很多，但隨著微流控芯 片的產(chǎn)業(yè)化，芯片的各種優(yōu)點正在不斷被人們所挖掘，不難 想象未來微流控芯片在生化及各領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。參考文獻1Whitesides G M.Nature ，2006，442（ 7101 ）：368-373.2 方肇倫，方群微流控芯片發(fā)展與展望 J現(xiàn)代科學(xué)儀 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 劉文明.微流控細胞芯片生命分析應(yīng)用多元化J分析化學(xué)， 2012， 1：24-31.7 朱天淳.激光光鑷對生物細胞操縱的研究J中國血液流變學(xué)， 2002，12（ 3）： 179.8 田靜.微流控芯片在生物化學(xué)分析中的應(yīng)用J科技情報開發(fā)與經(jīng)濟， 2005，15（12）： 138.9 林炳承，秦建華微流控芯片分析化學(xué)實驗室J高等 學(xué)校化學(xué)報， 2009， 30（ 3）：433-445.10 田曦亮 .基于微流控技術(shù)平臺的骨髓間充質(zhì)干細胞分 選、誘導(dǎo)并促進軸突再生的實驗研究 D. 大連醫(yī)科大學(xué)附屬 第一醫(yī)院， 2013， 4.11 龐中華微流控芯片技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展 J.塑料，2010， 3（39）：11-13.12 徐溢.微流控分析