微流控芯片的应用领域

分析装置的集成化、自动化及微型化现已成为物质分析和临床检测的研究热点，微流控芯片作为一种新的微型分析平台建立于20世纪90年代，它通过微细加工技术在芯片上构建由储液池、微反应室、微管道等微功能元件构成的微流路系统，加载生物样品和反应液后，在压力泵或者电场作用下形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应，达到对样品的高通量快速分析的目的。微流控分析芯片由于具有高度集成性，可在一张芯片上完成采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等多种功能特点，又被称为微型全分析系统。目前微流控技术已应用于高效筛选、环境监测、临床监测、空间微生物、现场分析、高效DNA测序等领域。

1.微流控芯片基因分析中的应用

1.1高聚物基PCR微流控芯片

PCR作为一种体外扩增核酸的方法，早已是研究分子生物学的不可缺少的工具。虽然传统的PCR操纵简单，但是它加热循环缓慢且效率低，这主要是因为其加热体积太大。为了解决这个问题，PCR的反应体积被减少到50ul甚至于1pl，但是体积的减少相应的也限制了产量。PCR微流控芯片就是在这种情况下发展起来的。

与传统的PCR相比，PCR芯片的主要优势在其比表面积大，传热速率快，大大提高了反应速度；而且内部温度均匀，反应过程易于控制。同时PCR芯片反应所需的样品和试剂量少，大大降低成本。如Kopp利用PCR微流控芯片在1.5-18.7min的时间内，经过20次循环完成了淋球菌促旋酶基因176bp片段的PCR扩增。

1.2核酸限制性酶切片段的分离分析

微流控芯片可用于迅速分离DNA限制片段PCR产物，比常规的毛细管电泳分离要快得多。自从Manz等成功的应用微流控芯片毛细管电泳技术分离了寡核苷酸混合物。微流控芯片分离的DNA片段的长度在逐步扩大，同时出现了可进行平行分析的多通道阵列芯片。

1.3 DNA测序

用微流控芯片四色标记法测序，可在540s分离150个碱基，准确率在97%以上。常规DNA测序需要制备微升级的样品，试剂消耗量大，有报道将纳升级的样品制备系统微缩到芯片上进行测序，可在分离前除去多余的引物、盐分、核苷酸等，所用测序体积是Sanger双脱氧终止法的1/300，测序成本明显降低，而且可进行固相测序。

2.微流控芯片在蛋白质分析中的应用

2.1 酶学分析

在硅片、玻璃芯片、石英芯片或者高分子聚合物芯片上构筑简单的十字通道或者反映舱，加上电化学检测器、光学检测器或者其他的检测系统就可以完成简单的酶的测定。如，Hadd-AG在芯片上制作了具有5个溶液出入通道的酶检测系统，首先将荧光基团底物RBG与Tris缓冲液混合，在与β-半乳糖苷酶溶液和竞争性抑制剂PETG溶液混合，反应后底物酶解产物产生荧光物质通过激光诱导荧光检测器检测。该系统所用的酶和底物仅为120pg和7.5ng，比常规分析方法减少4个数量级，显示了微流控分析芯片酶法分析在药物研制临床诊断等领域的良好运用前景。

2.2 免疫分析

免疫分析是最重要的分析方法之一，常规的免疫分析需要比较长的分析时间，液体处理过程也比较麻烦，而且需要比较多的昂贵的抗体试剂。微流控分析芯片可以有效的克服这一缺点，在芯片上整合分析系统可以加强反应效率，简化分析过程、减少分析时间、降低试剂的消耗。如Sato等用抗CEA抗体预先包被聚苯乙烯珠并导入到通道中，在通道中构筑了一道围堰来挡住这些微珠，然后与含有CEA的血清样本、一抗、胶体金标记的二抗进行反应，通过3种抗体进行的夹心法免疫分析可以超痕量的检测血清分钟的CEA，整个分析时间减少到35min左右。

2.3 蛋白质组学研究

蛋白质柱分析被认为是继基因组分析后最具有潜力的领域。随着技术的发展，蛋白质组研究已经从基于凝胶电泳分离向着与质谱联用的方向发展。由于蛋白质组研究需要大规模、高通量的蛋白分析和鉴定方法，因此耗样量低、高通量的微流控芯片分析技术与高灵敏的质谱检测技术联用具有很大优势。如，Gao在芯片上集成了蛋白质分解、多肽分离和质谱鉴别集成装置，该装置使原来数小时完成的工作在5min内完成，试剂用量在纳克或者纳克以下。

3 微流控芯片在细胞生物学中的应用

随着微流控芯片的不断发展，,微流控分析芯片技术正不断地向细胞组学的研究领域进行渗透。微流控芯片在细胞生物学中的应用主要包括细胞的培养、细胞的分离与操纵，细胞组分分析以及细胞全分析系统。

如，Carlson等报道了用静水压力驱动的方法对血液样本中的细胞进行分离。由于红细胞的体积远小于白细胞，且粘性小，所以红细胞以较快的速度通过微流路网络。

细胞全分析系统，指将细胞的三维培养、细胞刺激、细胞分离、溶胞以及细胞组分分离和分析集为一体的微流控系统。这个系统不仅可快速分析细胞，而且可重复利用。

微流控芯片分析系统通过在微米通道与结构中实现微型化，在分析性能上带来了巨大的优点：

1）缩短反应时间，提高分析效率，许多分析过程可以在数分钟内完成；

2）节约试剂和样本，微流控分析的试样与试剂消耗已降低至数微升水平，并且随着技术水平的提高，还有可能进一步减少；

3）易于集成化、便携化，操作简便，更易实现自动化。

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