對(duì)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(dòng)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(diǎn)，且它可以在幾分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的同時(shí)分析，并且可以在線實(shí)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。

【關(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(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)室諸多基本功能的微型化和集成化。它的目標(biāo)是把整個(gè)化驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集成在微芯片上，且可以多次使用。相對(duì)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(tái)。微流控芯片技術(shù)涉及多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，在有機(jī)合成、疾病診斷、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(dòng)化方向發(fā)展。

隨著微流控芯片的快速發(fā)展，微流控實(shí)驗(yàn)室的概念應(yīng)運(yùn)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(gè)系統(tǒng)，用以取代常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的各種繁雜器件的一種技術(shù)。

2 微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(xì)胞是生物界中不可或缺的一部分。細(xì)胞中蘊(yùn)含著人類迄今為止所不知的奧秘。而細(xì)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(duì)生命規(guī)律探索的不斷深入，對(duì)實(shí)時(shí)、動(dòng)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(gè)緯度上為微米級(jí)尺度上開展多種細(xì)胞研究。由于是微米級(jí)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(dú)特的分析性能。而正是這種不同的特性使人們看到了細(xì)胞的另一面，這對(duì)我們認(rèn)識(shí)細(xì)胞有很大的作用。

細(xì)胞操縱是利用微流控芯片將細(xì)胞運(yùn)送到指定位置，固定后進(jìn)行細(xì)胞成分、結(jié)構(gòu)和功能等分析。細(xì)胞操縱是研究人體細(xì)胞的重要手段之一。目前在微流控芯片上進(jìn)行細(xì)胞操縱的手段主要有：機(jī)械操縱法、光學(xué)操縱法、電場(chǎng)操縱法等。

2.1 機(jī)械操縱法

機(jī)械化操縱法主要是使用機(jī)械加工技術(shù)進(jìn)行高精度加工，在芯片上蝕刻出各種結(jié)構(gòu)，并根據(jù)細(xì)胞的尺寸進(jìn)行差異化物理分離的方法。它具有工作原理簡(jiǎn)單，不需要特殊處理的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)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(xì)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(xì)胞時(shí)，其勢(shì)能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生作用力，細(xì)胞在這個(gè)力的作用下被捕獲到分析位置。其優(yōu)點(diǎn)是不接觸、不損傷細(xì)胞，減少了實(shí)驗(yàn)誤差，可便于微米范圍內(nèi)的精細(xì)操作及定位。但其設(shè)備價(jià)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(cè)序、單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)分析、單分子分析等。在實(shí)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(gè)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(chǎng)影響下向著與自身帶相反電荷的電極移動(dòng)，這有助于我們加快對(duì)化學(xué)制劑的定量分析。

3.1 DNA測(cè)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(cè)序，而核糖核酸是遺傳信息傳遞過程中的橋梁，對(duì)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(shí)，利用96通道微陣列芯片，完成了平均長(zhǎng)度為430bp的序列分析。Bachhouse等人在50cm長(zhǎng)的分離通道實(shí)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(diǎn)是：提高了速度，減少了消耗，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2 單細(xì)胞分析

人類的重大疾病（癌癥），皆由細(xì)胞所發(fā)。以現(xiàn)在醫(yī)療水平而言，癌癥并未被攻克，則對(duì)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(diǎn)。微流控芯片以其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和微米級(jí)的通道尺寸使簡(jiǎn)化和分析病變細(xì)胞成為可能，這對(duì)我們充分的認(rèn)識(shí)細(xì)胞大有好處。而在實(shí)際操作中，樣品細(xì)胞需要在芯片的復(fù)雜微通道上進(jìn)行多種試劑、多個(gè)步驟的預(yù)處理，這雖然有高精度與耗樣少的優(yōu)點(diǎn)但卻會(huì)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(diǎn)，但卻阻擋不了人們對(duì)它使用的步伐。例如，高健等人在芯片上以人的血紅細(xì)胞為對(duì)象，采用電泳緩沖液和高電場(chǎng)技術(shù)完成了細(xì)胞的快速溶膜，這為我們提供了新的研究平臺(tái)，提供了新的方法。

3.3 蛋白質(zhì)分析

蛋白質(zhì)的篩分對(duì)認(rèn)識(shí)病原體與正常細(xì)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(duì)病原體微生物基因組的特征性片段及基因變異的多位點(diǎn)和特征性分析，將有助于我們認(rèn)識(shí)病原微生物的所屬種類、致死率、抗藥性、亞型、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(jì)出對(duì)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(gè)很好的切入點(diǎn)。目前在實(shí)際應(yīng)用過程中，研究人員常利用電泳技術(shù)結(jié)合對(duì)酶反應(yīng)物檢測(cè)技術(shù)來研究各種病原體表面蛋白質(zhì)特性，且對(duì)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(xì)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(xì)胞，深入了解腫瘤干細(xì)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(duì)癌癥的臨床治療有著重要的意義。而微流控芯片在腫瘤細(xì)胞的研究上有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

微流控芯片在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)：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(diǎn)。其在細(xì)胞研究中的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)為：

（1）其微通道尺寸與典型哺乳類細(xì)胞直徑大小相合，這利于單細(xì)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(duì)封閉環(huán)境，與生理狀態(tài)下細(xì)胞的空間特征接近，這對(duì)我們研究細(xì)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(xì)胞研究環(huán)境。

5 對(duì)微流控芯片的總結(jié)與展望

本文從三個(gè)方面簡(jiǎn)單的分析介紹了微流控芯片在實(shí)際應(yīng)用中的各種特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(qiáng)，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(diǎn)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(diǎn)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(xiàn)

[1]Whitesides 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]Sorger P K.Nat.Biotechnol，2008，26（12）：1345-1346.

[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(xì)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(duì)生物細(xì)胞操縱的研究[J].中國(guó)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(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，15（12）：138.

[9]林炳承，秦建華.微流控芯片分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)報(bào)，2009，30（3）：433-445.

[10]田曦亮.基于微流控技術(shù)平臺(tái)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分選、誘導(dǎo)并促進(jìn)軸突再生的實(shí)驗(yàn)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.微流控分析芯片上生化反應(yīng)技術(shù)研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展，2007，19（5）：821-830.

[13]林炳承，秦建華.微流控芯片實(shí)驗(yàn)室[M].北京：科學(xué)出版社，2006（07）.

作者簡(jiǎn)介

周文彬（1996-），男，山東省膠州市人?，F(xiàn)為濰坊學(xué)院信息與控制工程系在讀大學(xué)生。單片機(jī)工程師。研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

作者單位

濰坊學(xué)院信息與控制工程系 山東省濰坊市 261061