微流控芯片在生命科学领域的应用及发展前景

微流控芯片是20世纪90年代在分析化学领域发展起来的，它以微管道网络为结构特征，以生命科学为主要应用对象，并开始在分析化学、生命科学及生物医学器件等领域发挥愈来愈重要的作用，是当前生命科学、化学、微机械和微电子学领域的研究热点。

微流控芯片的基本结构是比较简单的，就是在几十个平方厘米的基板上加工出微通道，然后将盖片和基片键合到一起，以形成封闭的微流体通道。由于微型化、集成化的微流控芯片具有高效、快速、试样用量少、节约药品等优点，并在氨基酸和蛋白质的分离、免疫分析、DNA分析和测序、生物细胞研究等方面显示出巨大的潜力。这必将对疾病诊断和治疗、新药开发、食品卫生等诸多领域产生革命性的影响。

微流控芯片的基体材料，最常用的是晶体硅和玻璃。晶体硅具有散热好、强度大、价格适中、纯度高和耐腐蚀等优点，但绝缘性和透光性较差，深度刻蚀困难、硅基片的粘合成功率低影响了硅的应用。玻璃是现今使用得最多的一种芯片材料，因为玻璃有一定的强度、散热性、透光性和绝缘性大都比较好，很适合通用的样品分析；但存在深度刻蚀困难，键合温度高且键合成品率低等缺点。塑料价格便宜、绝缘性好，可施加高电场实现快速分离，成形容易，批量生产成本低，易获得高深宽比的微结构，经紫外、激光和化学处理后还可以改变电渗流，具有广阔的应用前景。但塑料的导热性差，热封接后微通道容易变形，虽然可以采用粘接方法，但粘接剂易堵塞微通道。硅橡胶（PDMS）具有价格便宜、绝缘性好、易成形和批量生产成本低等优点，采用光激发检测时产生的背景荧光比塑料低，已成为另一个研究热点。

微流控芯片在生命科学领域的应用

一、蛋白质分析

在蛋白质分析技术中，蛋白质芯片是一种高通量。微型化和自动化的新型分析手段。目前蛋白质芯片主要有两种：一种类似于DNA芯片，即在固相支持物表面高密度排列的探针蛋白

点阵，可特异地捕获样品中的靶蛋白，然后通过检测器对靶蛋白进行定性或定量分析；另一种就是微流控芯片，通过在玻璃片或硅片上设置各种微泵、微阀、微电泳以及微流路，可将生化实验室的分析功能浓缩固化在蛋白质芯片上，然后在电场作用下，样品中的蛋白质通过芯片上的孔道分离开来，经喷雾直接进入质谱仪中进行检测，以确定样品中蛋白质的分子量及种类。

    二、免疫分析

从一种复杂的生物样品中确定量地分析某种特定的蛋白质在生命科学研究中经常用到。经过多年的应用和发展，免疫分析已经成为临床诊断、生物医学以及环境化学研究中一种有力的分析手段。免疫分析按抗原和抗体在反应过程中是否分离可分为均相和非均相免疫分析。

1、均相免疫分析

    在微流控芯片上进行免疫分析是对毛细管电泳免疫分析技术的重大变革。这种微片装置是在微型的玻璃片或者硅片上采用化学刻蚀等技术产生一些微小的通道来代替传统的毛细管作为电泳分析的场所。

2、非均相免疫分析

非均相免疫分析是指在反应过程中将亲和反应的一方固定于载体上，该方法所采用的载体通常是高分子聚合物。非均相免疫分析的方法在疾病诊断及药物学研究领域都有广泛的应用，其中通过对微流控芯片表面进行修饰的非均相免疫分析最为常用，为了防止蛋白质非特异性吸附的发生，在分析之前必须对芯片进行预处理。

三、DNA分析及测序

1、DNA分析

微流控芯片可用于迅速分离DNA限制性片段PCR产物，比常规的毛细管电泳分离要快得多。在微流控芯片上观察荧光标记DNA的重复三联体序列，分离速度是常规毛细管电泳的几十倍。带有微柱的微流控芯片可以将不同长度的DNA分子经过电泳分离开来，在脉冲电场下，速度快、灵敏度高，而且PDMS价格低，制作工艺简单，可以大量生产，因此具有较大的应用前景。

2、DNA测试

    用微流控芯片四色标记测序，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缩微到芯片上进行测序，可在分离前除去多余的引物、盐份、核苷酸等，所用测序体积是Sanger双脱氧链终止法的1/300，测序成本明显降低，而且可进行固相测序。

四、细胞培养及检测

微流控芯片技术用于细胞培养及其生化分析已引起较广泛的关注，如细胞操作，绿色荧光蛋白的表达，基因转染，细胞活性测试，细胞分离，细胞内钙离子的测量，激素分泌检测以及高通量的细胞含量分析等。

   微流控芯片在生命科学领域的发展前景

微流控芯片是通过在芯片上加工出微型通道和其他的功能单元，实现样品的进样，反应、分离和检测等过程。它是一种多功能快速、高效、试样用量少的微型实验室装置，其最终目标是建立微全分析系统或微芯片实验室。经过十余年的发展和改进，该技术已经取得了喜人的成就，尤其在生命科学研究中表现出巨大的应用前景。

微流控芯片技术是一门新兴的交叉技术，它的完善需要化学、微电子及微机械学、材料及生命科学工作者的协同努力才能实现。近年来该技术正朝着微型化、集成化、自动化的方向迅速发展，可以预料，在不久的将来它必将成为生命科学最主要的分析研究手段之一。