微流控芯片技術(shù)研究進(jìn)展

李玉剛

微流控芯片技術(shù)研究進(jìn)展

李玉剛

微流控芯片分析技術(shù)近年來迅速發(fā)展, 在生化分析中應(yīng)用廣泛。本文介紹了微流控芯片技術(shù)的加工方法、分離技術(shù)及檢測技術(shù), 并從DNA檢測、酶聯(lián)免疫分和細(xì)胞信號通路研究等方面綜述了其在生化分析中的應(yīng)用, 對其應(yīng)用中的不足進(jìn)行了分析, 對其應(yīng)用前景做了展望。

微流控芯片；生化分析；紙基微流控；應(yīng)用

二十世紀(jì)90年代Manz和Widmer等［1］提出了一種微型全分析系統(tǒng)(或稱微流控芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室等)的概念,在該系統(tǒng)中, 分析樣品的預(yù)處理、進(jìn)樣、化學(xué)反應(yīng)、分離和檢測等功能實(shí)現(xiàn)了裝備的微型化、自動化和一體化。

1 微流控芯片技術(shù)

1.1微流控芯片的加工方法 微流控芯片技術(shù)中, 芯片材料的選擇、尺寸、設(shè)計、加工和表面修飾對于該技術(shù)至關(guān)重要。從20世紀(jì)末微流控芯片技術(shù)提出以來, 出現(xiàn)了各種各樣的芯片材料, 常見的有：玻璃芯片、石英芯片、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等塑料芯片。

1.2微流控芯片的高效分離技術(shù) 基于芯片的毛細(xì)管電泳技術(shù)是目前微流控芯片系統(tǒng)中使用最多的高分辨分離技術(shù)。利用電泳主要是可以將微流控芯片中的復(fù)雜組分離并可以記錄下關(guān)于電泳圖譜用于分析。由于微流控芯片幾何尺寸較小,與常規(guī)毛細(xì)管電泳系統(tǒng)相比, 芯片毛細(xì)管電泳系統(tǒng)具有區(qū)帶寬度窄、電影分離場強(qiáng)高、分離速度快、分離效率高的優(yōu)勢。

1.3微流控芯片的檢測技術(shù) 微流控分析系統(tǒng)的試樣量在nl和pl級別, 因此檢測系統(tǒng)需要進(jìn)行微型化, 對于監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度需要有更高的要求, 還要求其具有更好的選擇性、更快的響應(yīng)速度和更好的信噪比。按照檢測原理分類, 可以大致將檢測系統(tǒng)分為光學(xué)檢測器、電化學(xué)檢測器和質(zhì)譜檢測器。光學(xué)檢測器在微流控芯片上應(yīng)用最早并且至今仍然應(yīng)用最多。

2 微流控芯片在生化分析技術(shù)中的應(yīng)用

過去的幾十年內(nèi), 分析儀器或?qū)嶒?yàn)室設(shè)備的微型化已取得重大的進(jìn)展［2］, 微型全分析系統(tǒng)或芯片實(shí)驗(yàn)室的研究已成研究熱點(diǎn)。在微型化操作、芯片制作、步驟的整合上電化學(xué)方法具有很大的優(yōu)勢。微流控芯片已廣泛應(yīng)用于臨床分析、環(huán)境監(jiān)測、食物檢測以及生物技術(shù)的基礎(chǔ)研究。

2.1DNA檢測 隨著微流控設(shè)備的發(fā)展, 微流控分析技術(shù)越來越多地應(yīng)用于DNA微陣列分析中。與傳統(tǒng)的DNA分析方法相比, 微流控技術(shù)的引入有許多優(yōu)勢［3］：①微流控分析設(shè)備需要的樣品量大大減少, 實(shí)現(xiàn)了從ml到μl或pl的跨越；②由于擴(kuò)散距離的減少使得面容比降低, 目標(biāo)核酸的雜交反應(yīng)速度大大加快；③合理設(shè)計芯片即可實(shí)現(xiàn)單個微流控芯片可同時分析多個樣品, 實(shí)現(xiàn)高通量樣品分析。

2.2酶聯(lián)免疫分析 酶聯(lián)免疫分析技術(shù)(ELISA)因其高度選擇性和高靈敏度受到很多研究者的青睞, 但是其冗長的實(shí)驗(yàn)步驟和高勞動強(qiáng)度使得結(jié)果容易出錯, 微流控芯片技術(shù)的引入可以提高反應(yīng)效率、簡化實(shí)驗(yàn)步驟、減少分析時間和樣品量的消耗, 是對酶聯(lián)免疫分析技術(shù)極大的優(yōu)化。

2.3細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究 從細(xì)胞外微環(huán)境進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)包括了蛋白質(zhì)的相互作用、翻譯后修飾和運(yùn)輸。研究者發(fā)明了多種分子生物學(xué)方面的技術(shù)定量分析蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)修飾對信號動力學(xué)的作用、蛋白質(zhì)信號網(wǎng)絡(luò)的交叉作用或細(xì)胞間信號的數(shù)據(jù)變化, 包括蛋白印跡技術(shù)、延時熒光顯微技術(shù)和免疫熒光分析技術(shù)。

［1］ Manz A, Graber N, Widmer HM.Miniaturized total chemical analysis systems: a novel concept for chemical sensing.Sensors and actuators B: Chemical, 1990, 1(1): 244-248.

［2］ Suzuki H.Microprocessing of liquid plugs for bio/chemical analyses.Clinical Chemistry , 2008, 80(16):6206-13.

［3］ Guo S, Imato T.Simultaneous multiple immunoassays in a compact disc-shaped microfluidic device based on centrifugal force.Analytical Chemistr, 2005, 51(10):1955-61.

2014-06-13］

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