微流控芯片技术及其在生物学领域的应用

微流控芯片技术及其在生物学领域的应用
1990年，Manz和Widmer等[1]首先提出微流控芯片的概念，自此微流控芯片技术得到了快速的发展，它具有有效降低试剂和样品消耗、加快分析速度、提高检测灵敏度、显著降低分析成本等优点[2]，使得其在各个领域都有广泛的应用，包括基因分析、蛋白分析、天然产物活性成分的筛选、食品安全分析等。本文主要就微流控技术的发展过程和其在生物学领域的应用做一简要综述。
1 微流控芯片技术的发展
在10~100μm宽的沟道系统中对流体或气体进行操控的技术被称为微流控技术，以微流控技术为核心、通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件，像集成电路一样集成在芯片材料，应用于生物、化学、生物医学等领域的芯片型微全分析系统被称为微流控芯片[3]。zui早的微流控芯片是构建在硅片上的，硅基片的微细加工技术比较成熟，材料相对比较便宜。但是硅的生物兼容性不好，而且硅基片不耐高电压、不透明，限制了它在该领域的应用[4]。随后石英玻璃成了主要衬底材料，石英基片的微细加工技术与硅片的类似，可以耐高压，生物兼容性好，而且*透明，便于检测，但石英基片的成本较高。近年来，聚合物材料以其成本低、加工方法简单而成为的材料。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是使用zui广泛的聚合物材料。目前，生物材料在微流控芯片中的应用受到了极大关注[4]。
1990年，瑞士研究人员Manz和Widmer首先提出微流控芯片的概念[5]，1992年Manz研制出毛细管电泳微芯片分析装置，开创了微流控芯片技术的先河，因此微流控芯片技术是在芯片毛细管电泳技术的基础上发展起来的[6]。在20世纪整个90年代的研究中，微流控芯片更多的被用作一种化学分析平台，其主要应用于芯片电泳[7-8]。1994年美国橡树岭国家实验室Ramsey等[9]在Manz的工作基础上改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能和实用性。1995年美国加州大学佰克利分校的Mathies等[10]在微流控芯片上实现了高速DNA测序，其商业价值开始显现，同年9月微流控芯片企业-Caliper Technologies公司成立。1996年Mathies等又将聚合酶链反应（PCR）扩增和毛细管电泳集成在一起，以后又实现了微流控芯片上多通道毛细管DNA测序[11]。1998年*微流控分析仪器面世，随后各种仪器和芯片如雨后春笋般上市。同年，Science上发表关于微流控芯片作为一种小型化的化学工厂的文章，引发了新的研究热点[12]。1999年Shi等[13]研制出96根分离泳道的毛细管阵列电泳芯片，可在2min内同时分离pBR322样品。2000年，Anderson等[14]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，它可从毫升级水溶液样品中提取浓缩的核酸，进行微晶化学扩增、酶反应、杂交、混合和测定等，并可进行十几种反应物的60多个连续操作。2001年，“Lab on a Chip”杂志创刊，它作为一种主流刊物，影响世界范围内相关研究的进展。自此，微流控芯片的发展进入了崭新的阶段；2002年，有关题为“微尺度生物分析系统”和“微流控芯片的大规模集成”的文章在Science上发表，这意味着微流控芯片的价值得到了学术界和产业界的肯定[15-16]；2006年，Nature杂志发表“Lab on a Chip”专辑，共收录1篇概论和8篇综述，从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景[17]。目前，微流控芯片技术已经成为生命科学、药物合成、疾病诊断、食品安全检测等研究中的重要工具和热点。
2 微流控芯片技术在生物学领域的应用
2.1 微流控芯片技术在基因检测中的应用
在基因检测方面，微流控芯片技术主要应用于核酸的扩增、分离、测序及多肽性检测。聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）广泛应用于分子生物学中，它可以对DNA分子进行体外扩增，常规的PCR过程大致需要1-2 h，需要的试剂也较多，费时费力，而微流控芯片技术用于PCR扩增及相关检测时，既能简化操作步骤，又能显著提高检测效率。1998年，Kopp等[18]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，缩短了扩增时间，减少了反应所需的试剂。此后，很多科学家在此项研究的基础上，对连续流动式PCR技术进行了更进一步的改进，使其更加微型化[19]。随着微流控芯片技术上的不断完善和发展，微流控分析技术能分离的DNA片段长度在逐步扩大，可完成对DNA片段的测序和遗传物质的分离、分析，并且出现了可同时进行平行分析的多通道微流控芯片[19]。Mathies[20]研究用3.5cm的有效分离长度，7min在单通道玻璃芯片上完成了长度为150～200bp的序列测定。后来他们又将分离通道延长到7.5cm，并改用四色荧光检测器20分钟完成500bp的序列分析，准确率达99.4%。单核苷酸多态性（ single nucleotide polymorphism，SNP）就是人类基因组中物理图谱的理想遗传标记，能满足对代谢、生长和疾病相关基因的定位，基因多态性是人类各种可遗传变异中常见的现象[21]。SNP检验方法主要是以PCR为基础，通过电泳技术分辨碱基差异造成的DNA片段的各种差异来进行基因分型。Taylor等[22]设计了一个十字型微流控芯片对其进行分析，探讨了多种疾病与其变异存在相关性。整个分析过程由传统方法的几天时间缩短到45min。
2.2 微流控芯片技术在蛋白分析中的应用
蛋白质是生物体zui基本的生物活性物质，蛋白质的分离测定可以帮助人们认识蛋白质在生物功能中的作用，对发现新的诊疗方法有着不可估量的价值[6]。传统的蛋白质分析步骤均由手工操作进行，这些方法过于繁琐、样品消耗量大、灵敏度不高，无法满足蛋白质组学对分析系统快速、集成、高通量、高灵敏度的需求。利用微流控分析芯片系统对蛋白质样品、蛋白质的结构、功能以及蛋白质的相互作用进行分析，其分析步骤均在几平方厘米的分析芯片上进行，反应速度快，灵敏度高[19]。另外，微流控芯片检测技术所需要的试剂及反应物的量均较少，可以大大减少试剂消耗[19]。Hofmann等[23]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完成整个检测过程。
2.3 微流控芯片技术在细胞分析中的应用
随着生命科学的飞速发展，对单细胞及胞内的成分和形态变化进行分析和检测已成为研究的热点。微流控芯片由于其微通道宽度（10～50μm）和生物细胞大小相当，所以生物细胞在微通道内非常容易操纵、观察和检测，以微流控芯片进行单细胞研究具有*的优越性[19]。Shin等[24]构建了一种电穿孔细胞芯片，他们通过指数衰变式脉冲发生器对流体通道内的细胞进行电穿孔实验，测量了细胞电穿孔时各种参数。近几年人们还在细胞微环境的化学浓度梯度进行时间和空间控制、细胞培养等方面进行了大量研究。相信随着微流控技术的不断更新，此技术有望成为细胞研究的主要工具[19]。
3 展望
微流控芯片技术经过二十几年的发展，已经从萌芽阶段不断走向成熟，目前微流控芯片已广泛应用于基因测序、蛋白质图谱分析等生物领域，生命科学的发展已进入一个非常重要的历史时期，生命科学与化学、工程学等领域的交叉与结合，已是科学发展的必然。微流控芯片具有微型化、集成化及在多学科交叉方面的*优势，也被广泛运用于生物医学等不同研究领域，并已取得了显著成果，显示出广阔的应用前景[25]。随着微流控芯片技术的不断成熟和制作成本的不断降低，必将大规模地进人到常规医学检测领域，取代那些笨重而且操作复杂的化验、检验设备，进而促进医疗水平的进步[4]。


参考文献
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