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| 微流控芯片技術及其在生物學領域的應用 |
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| 點擊次數：2488 更新時間：2011-06-01 |
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微流控芯片技術及其在生物學領域的應用
1990年，Manz和Widmer等[1]首先提出微流控芯片的概念，自此微流控芯片技術得到了快速的發展，它具有有效降低試劑和樣品消耗、加快分析速度、提高檢測靈敏度、顯著降低分析成本等優點[2]，使得其在各個領域都有廣泛的應用，包括基因分析、蛋白分析、天然產物活性成分的篩選、食品安全分析等。本文主要就微流控技術的發展過程和其在生物學領域的應用做一簡要綜述。
1 微流控芯片技術的發展
在10~100μm寬的溝道系統中對流體或氣體進行操控的技術被稱為微流控技術，以微流控技術為核心、通過微細加工技術將微管道、微泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件、窗口和連接器等功能元器件，像集成電路一樣集成在芯片材料，應用于生物、化學、生物醫學等領域的芯片型微全分析系統被稱為微流控芯片[3]。zui早的微流控芯片是構建在硅片上的，硅基片的微細加工技術比較成熟，材料相對比較便宜。但是硅的生物兼容性不好，而且硅基片不耐高電壓、不透明，限制了它在該領域的應用[4]。隨后石英玻璃成了主要襯底材料，石英基片的微細加工技術與硅片的類似，可以耐高壓，生物兼容性好，而且*透明，便于檢測，但石英基片的成本較高。近年來，聚合物材料以其成本低、加工方法簡單而成為的材料。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是使用zui廣泛的聚合物材料。目前，生物材料在微流控芯片中的應用受到了極大關注[4]。
1990年，瑞士研究人員Manz和Widmer首先提出微流控芯片的概念[5]，1992年Manz研制出毛細管電泳微芯片分析裝置，開創了微流控芯片技術的先河，因此微流控芯片技術是在芯片毛細管電泳技術的基礎上發展起來的[6]。在20世紀整個90年代的研究中，微流控芯片更多的被用作一種化學分析平臺，其主要應用于芯片電泳[7-8]。1994年美國橡樹嶺國家實驗室Ramsey等[9]在Manz的工作基礎上改進了芯片毛細管電泳的進樣方法，提高了其性能和實用性。1995年美國加州大學佰克利分校的Mathies等[10]在微流控芯片上實現了高速DNA測序，其商業價值開始顯現，同年9月微流控芯片企業-Caliper Technologies公司成立。1996年Mathies等又將聚合酶鏈反應（PCR）擴增和毛細管電泳集成在一起，以后又實現了微流控芯片上多通道毛細管DNA測序[11]。1998年*微流控分析儀器面世，隨后各種儀器和芯片如雨后春筍般上市。同年，Science上發表關于微流控芯片作為一種小型化的化學工廠的文章，引發了新的研究熱點[12]。1999年Shi等[13]研制出96根分離泳道的毛細管陣列電泳芯片，可在2min內同時分離pBR322樣品。2000年，Anderson等[14]研制了一種可用于多樣品的一系列復雜分子處理的高度集成的芯片，它可從毫升級水溶液樣品中提取濃縮的核酸，進行微晶化學擴增、酶反應、雜交、混合和測定等，并可進行十幾種反應物的60多個連續操作。2001年，“Lab on a Chip”雜志創刊，它作為一種主流刊物，影響世界范圍內相關研究的進展。自此，微流控芯片的發展進入了嶄新的階段；2002年，有關題為“微尺度生物分析系統”和“微流控芯片的大規模集成”的文章在Science上發表，這意味著微流控芯片的價值得到了學術界和產業界的肯定[15-16]；2006年，Nature雜志發表“Lab on a Chip”專輯，共收錄1篇概論和8篇綜述，從不同角度闡述了芯片實驗室的研究歷史、現狀和應用前景[17]。目前，微流控芯片技術已經成為生命科學、藥物合成、疾病診斷、食品安全檢測等研究中的重要工具和熱點。
2 微流控芯片技術在生物學領域的應用
2.1 微流控芯片技術在基因檢測中的應用
在基因檢測方面，微流控芯片技術主要應用于核酸的擴增、分離、測序及多肽性檢測。聚合酶鏈反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）廣泛應用于分子生物學中，它可以對DNA分子進行體外擴增，常規的PCR過程大致需要1-2 h，需要的試劑也較多，費時費力，而微流控芯片技術用于PCR擴增及相關檢測時，既能簡化操作步驟，又能顯著提高檢測效率。1998年，Kopp等[18]提出了連續流動式微流控PCR擴增芯片，反應溶液循環流經不同的溫區完成PCR擴增反應，整個擴增反應全部在流動中完成，縮短了擴增時間，減少了反應所需的試劑。此后，很多科學家在此項研究的基礎上，對連續流動式PCR技術進行了更進一步的改進，使其更加微型化[19]。隨著微流控芯片技術上的不斷完善和發展，微流控分析技術能分離的DNA片段長度在逐步擴大，可完成對DNA片段的測序和遺傳物質的分離、分析，并且出現了可同時進行平行分析的多通道微流控芯片[19]。Mathies[20]研究用3.5cm的有效分離長度，7min在單通道玻璃芯片上完成了長度為150～200bp的序列測定。后來他們又將分離通道延長到7.5cm，并改用四色熒光檢測器20分鐘完成500bp的序列分析，準確率達99.4%。單核苷酸多態性（ single nucleotide polymorphism，SNP）就是人類基因組中物理圖譜的理想遺傳標記，能滿足對代謝、生長和疾病相關基因的定位，基因多態性是人類各種可遺傳變異中常見的現象[21]。SNP檢驗方法主要是以PCR為基礎，通過電泳技術分辨堿基差異造成的DNA片段的各種差異來進行基因分型。Taylor等[22]設計了一個十字型微流控芯片對其進行分析，探討了多種疾病與其變異存在相關性。整個分析過程由傳統方法的幾天時間縮短到45min。
2.2 微流控芯片技術在蛋白分析中的應用
蛋白質是生物體zui基本的生物活性物質，蛋白質的分離測定可以幫助人們認識蛋白質在生物功能中的作用，對發現新的診療方法有著不可估量的價值[6]。傳統的蛋白質分析步驟均由手工操作進行，這些方法過于繁瑣、樣品消耗量大、靈敏度不高，無法滿足蛋白質組學對分析系統快速、集成、高通量、高靈敏度的需求。利用微流控分析芯片系統對蛋白質樣品、蛋白質的結構、功能以及蛋白質的相互作用進行分析，其分析步驟均在幾平方厘米的分析芯片上進行，反應速度快，靈敏度高[19]。另外，微流控芯片檢測技術所需要的試劑及反應物的量均較少，可以大大減少試劑消耗[19]。Hofmann等[23]利用等電聚焦毛細管電泳芯片技術，以Cy5標記肽，對細胞色素C、核糖核酸酶A和肌紅蛋白等9種蛋白質混合物進行分離檢測，5 min完成整個檢測過程。
2.3 微流控芯片技術在細胞分析中的應用
隨著生命科學的飛速發展，對單細胞及胞內的成分和形態變化進行分析和檢測已成為研究的熱點。微流控芯片由于其微通道寬度（10～50μm）和生物細胞大小相當，所以生物細胞在微通道內非常容易操縱、觀察和檢測，以微流控芯片進行單細胞研究具有*的*性[19]。Shin等[24]構建了一種電穿孔細胞芯片，他們通過指數衰變式脈沖發生器對流體通道內的細胞進行電穿孔實驗，測量了細胞電穿孔時各種參數。近幾年人們還在細胞微環境的化學濃度梯度進行時間和空間控制、細胞培養等方面進行了大量研究。相信隨著微流控技術的不斷更新，此技術有望成為細胞研究的主要工具[19]。
3 展望
微流控芯片技術經過二十幾年的發展，已經從萌芽階段不斷走向成熟，目前微流控芯片已廣泛應用于基因測序、蛋白質圖譜分析等生物領域，生命科學的發展已進入一個非常重要的歷史時期，生命科學與化學、工程學等領域的交叉與結合，已是科學發展的必然。微流控芯片具有微型化、集成化及在多學科交叉方面的*優勢，也被廣泛運用于生物醫學等不同研究領域，并已取得了顯著成果，顯示出廣闊的應用前景[25]。隨著微流控芯片技術的不斷成熟和制作成本的不斷降低，必將大規模地進人到常規醫學檢測領域，取代那些笨重而且操作復雜的化驗、檢驗設備，進而促進醫療水平的進步[4]。
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