微流控芯片分析化学实验室的应用

       微流控芯片实验室是一种以在微米尺度的空间中对流体进行操控为主要特征的技术，具有将生物和化学实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米大小的芯片上的能力，微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小可控平台上的灵活组合和规模集成，可能会对人类未来的生活方式和生存质量产生影响，这种影响甚至可能是革命性的。

根据研究领域的不同，微流控芯片实验室可简单划分为微流控芯片化学实验室、微流控芯片生物实验室、微流控芯片光学实验室以及微流控芯片信息实验室等，其中，最早形成的是微流控芯片化学实验室中的微流控芯片分析化学实验室，分析化学是微流控芯片最早最直接的应用领域之一，微流控芯片分析化学实验室的构建和完善是21世纪前20年分析化学发展的一个主流趋势。

微流控芯片分析化学实验室的应用主要有以下几个方面：

1、分子水平

    微流控分析化学实验室的第一轮应用当然是在分子水平上，除了离子和小分子的分离分析外，在以蛋白质、核酸等生物大分子为对象的研究中更显示出其操作单元规模集成和灵活组合的优势，引起了研究者的广泛关注。

分子层面应用最重要且相对最成熟的一类对象是核酸，核酸研究是迄今为止微流控芯片应用最有说服力的领域之一，其范围已由对简单核苷酸的分离分析过渡到以复杂的遗传学分析、基因诊断等为目的的生物医学领域。

2、分子细胞水平

     细胞无疑是下一轮微流控芯片应用的重点，微流控芯片的潜力将在细胞研究中充分发挥。尽管在现阶段，与分子层面的工作相比，细胞研究相对滞后，但随着单元技术的日趋成熟,以及更多的医学、生物学领域专家的介入，这一层面的研究将有可能成为微流控芯片应用研究的主流。芯片上的细胞单元操作有其特殊性，培养、捕获、分选及裂解等明显有别于分子层面的各种技术。在同一芯片上集成细胞培养、输运、清洗、破碎、样品纯化和电泳分离等操作单元，把整个复杂的研究过程纳入全局控制和总体规划，将极大地提高优化过程的效率，简化程序，减少人为控制引起的误差，更易被生物学家所接受，并获得传统方法难以实现的时空分辨信息；此外，微流控芯片上流体的二维甚至三维流动，使得对细胞进行更加复杂的物理和化学操作成为可能，因而也适于对单细胞进行更加复杂和全面的分析，并可满足组学及谱学研究对多维分离分析的需求。

3、细胞水平

微流控芯片用于细胞研究的应用范围主要包括细胞状态、细胞功能和细胞组分研究3个方面。通过实验，以临床抗肿瘤药物诱导肝癌细胞凋亡为模型，构建了一种细胞水平高内涵药物筛选微流控芯片平台，将细胞培养、药物浓度梯度生成、细胞受激和响应等过程完全集成在一块只有几平方厘米大小的芯片上完成，一次运行科同时产生64种药物作用条件并可获得192个细胞响应结果。利用该芯片同时分析了药物作用后细胞线粒体膜电势、细胞核、细胞膜以及胞内氧化还原状态的变化。结果显示，不同药物诱导细胞凋亡呈现不同的剂量效应。该工作充分地体现了微流控芯片将多种单元技术灵活组合和规模集成的特点，与传统的多孔板技术相比，省去了配制和分配多种药物不同浓度溶液的繁冗操作，大大简化了细胞接种、受激、洗涤和标记操作过程，显著降低了细胞和试剂耗量，具有重大应用前景。

4、模式生物水平

      除分子水平、细胞水平的应用之外，近几年微流控芯片分析化学实验室开始向动物水平拓展，秀丽隐杆线虫是一种从20世纪60年代开始就被广泛用于发育学、遗传学和神经生物学等研究中的重要模式生物，也是受人瞩目的研究行为可塑性的模式动物，传统线虫研究通常采用手工操作，通量低，耗时长，难以实现对单个线虫或胚胎的研究，微流控芯片的出现为线虫研究提供了一条新思路，微流控芯片的尺寸与线虫相匹配，是研究这种微小生物的理想平台，而其可微型化、大规模集成和快速运行的特点可使线虫的分析低耗、快速和大规模地进行。