分子层面的微流控芯片分析化学实验室单元操作之进样

分子层面的微流控芯片分析化学实验室单元操作主要包括进样、样品处理、混合、反应及分离等。

在使用芯片平台处理样品时，需要将样品导入到芯片的样品处理通道或通道网络中，这一步骤通常称为进样。进样通常又可以分为上样和取样两步。晶片实验室处理的对象是流体，液体进样是芯片进样的主流，在实际操作过程中主要有3种情况：进样通道、进样液滴引入、进样液滴引入等。将区段进样分为单通道辅助进样、多通道辅助进样及激光辅助进样。研究人员对上述各种不同的进样方法进行了大量的研究，并在此基础上研制了一类新的静压进样方。

该方法包括简单静压进样、静压门进样、旁通法辅助进样。在传统的抽压式电动进样过程中，静压进样是以芯片上样品池与样本池之间的液面高度差所产生的静压作为上样驱动力。单纯静压进样的基本原理是将一定体积的溶液注入到样品池中，样品池中由于静压作用，样品池中的样品由于静压的作用，自流到样品池中，当样品在十字交叉处充满样品后实施取样，即在缓冲液池与缓冲液废液池之间施加电场，使储存在十字路口的样品进入分离通道。其中，静压门进样与电动门进样中的“门”的概念相同，即从缓冲液池到样品池的缓冲液流，通过控制电场控制门的开启和关闭。旁路辅助静压进样[25]是在原十字通道的基础上增加一条旁路，该旁路平行且非常靠近分离通道，其距离在几微米到几十微米之间。分选原理如图1所示，样品可通过旁路辅助进样。

区域带状实施较精细调整。该方法不需要机械泵，因而也不存在传统压力电动进样的泵片接口问题，因而使压力电进样得以推广应用。静压进样一般仅在分离通道两端各增加一个电极(除了静压门门进样除外)，而不需要切换电压，在应用于微流控阵列芯片时，其所需电极数量大大减少，从而简化了阵列的溶液驱动和控制系统。

此外，研究人员还改进了静压进样技术，将其用于DNA的芯片电泳分离。

通常情况下，样品通常要先进行预处理，然后再引入其他操作单元。这种预处理过程被移植到晶片上，使得晶片能够直接对真实样品进行处理。减少样品消耗是实现芯片实验室实用化、产业化的必要条件。当然，在引入样品之前，这种移植将会考虑到这些操作。晶片样品的预处理操作通常涉及到多种试剂、多步、复杂的微通道网络，而芯片样品预处理单元同时与外部样品源和随后的样品处理单元相结合。所以，芯片样品的预处理具有技术含量高、操作难度大等特点，而其中蕴藏着大量的技术增长点，是目前芯片实验室研究的重要组成部分和持续热点之一。常用的芯片预处理操作有萃取、过滤、膜分离、等速电泳、场放大堆积等，其中固相萃取富集倍数有时达到103，且在芯片上容易实现，是芯片平台上最重要的样品处理技术之一。

研究人员在将这几种预处理技术集成到芯片上进行了尝试。其中，采用氧化硅在芯片上建立了一种基于填充柱状萃取的DNA提取方法，相对于超声波、热法、介电电泳法等其他提取方法，其操作简便、节省时间、减少DNA降解。在同一片片上集成了等速电泳前处理单元和后续电泳分离单元，实现了蛋白质的富集与分离，这种省时、集成的方式为蛋白质的研究提供了新的途径。对乙型肝炎病毒基因型的研究，通过增加进样通道的长度，对乙型肝炎病毒基因型进行了研究，结果表明，随着进样通道长度的增加，DNA标准样品的浓缩倍数增加了300多倍，作为PCR技术的补充，为基因分型研究所所涉及的较难分析的低浓度DNA样品检测提供了技术支持。为了提高富集倍数和检测灵敏度，只需在芯片上简单地增加进样通道的长度，尽管受芯片尺寸和富集时间的限制，长度不可能无限增加，但芯片实验室设计灵活性的优点在该装置中得到充分体现。

此外，研究人员在微孔滤膜的基础上，成功地集成了膜过滤预处理单元和后续的电泳分离单元，不仅可以用于复杂体系中小分子的选择性进样，而且可以在电泳分离前纯化和富集大分子物质。另外，为满足实际需要，在膜过滤芯片上再插入一个固相萃取单元(SPE)，如图2所示，将两种预处理方式集成在一起，可以实现大分子和小分子的同步富集。与此同时，膜的介入使得SPE萃取和芯片电泳在芯片的不同层面上互不干扰，充分体现微流控芯片实验室对单元技术的灵活结合。