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微流控芯片的五大应用领域

 微流控芯片中流体的操控尺度在微米量级,介于宏观尺度和纳米尺度之间,这种尺度下流体运动显示出二重性。一方面,微米尺度仍然远大于通常意义上分子的平均自由程,因此,对于其中的流体而言,连续介质定理成立,连续性方程可用,电渗和电泳淌度与尺寸无关。另一方面,相对于宏观尺度,微米尺度上的惯性力影响诚小,黏性力影响增大,雷诺数变小(通常在106-101之间),层流特点明显,传质过程从以对流为主转为以扩散为主,并且面体比增加,黏性力、表面张力及换热等表面作用增强,边缘效应增大,三维效应不可忽略。与此同时,微米尺度和纳米尺度又有很多重要的区别。在纳米尺度下,物体的尺寸和分子平均自由程相近,因此电泳淌度变得和横截面尺寸有关,偶电层电荷重叠,电渗减少,进而影响到给予流体的动量。此外,空间的压缩会改变大分子的形状,大分子的淌度也将受到非平面流速矢量场的影响,最终导致对流体的控制相对困难回。

  2、分离技术

  分离是微流控芯片样品分析的重要一步。芯片中分离毛细管槽负载了大部分外加电压,其场强多在200一500V/cm之间,因此在设计时应尽量设法降低负载电压[4。为了提高分离的效率,微流控芯片中使用了许多方法,如Kutter根据HPLC中梯度洗脱的方法,设计了两个缓冲液池,内装不同极性的缓冲液,以不同的体积比混合缓冲液,再以此混合液作样品的支持电解质,实验表明效果较好,分离时间小于1min[5]。

  3、微液滴技术

  微液滴操控包括微液滴生成和微液滴驱动,按生成方式可以将操控微液滴的方法分为两大类。一类是被动法,即通过对微通道结构的特别设计使液流局部产生速度梯度来对微液滴进行操控,主要为多相流法问。该法的主要特点是可以快速批量生成微液滴;另一类是主动法,即通过电场力、热能量等外力使液流局部产生能量梯度来对微液滴进行操控,主要包括电润湿法口、介电电泳法[同、气动法[?)和热毛细管法0]。该法的主要特点是可以对单个微液滴的操控。与传统连续流系统相比川,离散化微液滴系统有一系列潜在优势,如消耗样品和试剂量更少,混合速度更快,不易造成交叉污染,易于操控等。

  4、检测技术

  分离物的高灵敏度检测对于微流控芯片有着重要意义。目前,微流控芯片的检测方法大体上可以分为3类:光学检测、电化学检测及质谱学检测。

  紫外吸收检测法是-种常规光学检测法,相应的检测器已经趋于成熟,但由于芯片的通道小、灵敏度不高,因此该方法已经不能够满足对低浓度和极微量样品分析的要求。激光诱导荧光检测是所有荧光检测中灵敏度最高的一种方法。多数情况下其检测下限可达10*10-10~12molL,所以该方法得到了广泛的应用。

  电化学检测有安培法、电导法和电位法3种基本模式,其中安培法是应用最普遍的一种方法。其基本原理是:测量化合物在电极表面受到氧化或还原反应时,会失去或得到电子,产生与分析物浓度成正比的电极电流,通过测量微通道中的电流即可得到溶液浓度的变化情况。电化学检测的灵敏度可以与荧光检测相媲美,同时,因为微电极可以加工到芯片。上,因此更适合于微芯片的检测。质谱检测14的原理是根据分子质荷比的不同而达到检测的目的。其最大优点是能够提供分子空间结构信息,因此在生物大分子(如蛋白质)的结构研究方面具有独到之处。但因为质谱检测系统本身比芯片还要大,所以也很难实现整个系统的微型化。单一的检测方法将很难完成全部检测任务,因此应对多种检测方法的联合使用及新的检测方法进行研究。

微流控芯片的五大应用领域

  一、微流控芯片技术在水环境污染中的应用

  微流控芯片技术在水环境污染分析中的研究尚处于起步阶段,因此多集中于优先污染物的相关报道,主要包括重金属、营养元素、有机污染物和微生物等。

  1.用于水体中重金属检测的微流控芯片系统

  随着工农业的发展,越来越多的重金属如汞、铬、铅、铜、镍、钒等被排放入水体,不仅会对水生动植物产生毒害作用,还能通过富集作用进入生物链,对整个生态环境构成严重威胁。对上述重金属的检测,虽然可以使用高精度的原子吸收光谱和原子荧光光谱等方法。但是在应对突发性污染物泄露事件,或者对一个区域进行连

  续监测的情况下,仍需要快速、高效的检测工具。使用光刻法搭配湿法刻蚀技术,成功研制了一种微流控芯片,该芯片利用鲁米诺发光性质,成功地对硝酸钴进行了测定。与此同时,通过简单的改造之后,该微全分析系统还能成为检测过氧化氢或者二氧化氮的装置,并可以与信号传递装置结合起来,成为一种自带无线信号发射功能的设备。

  基于纸的微流控器件近几年的发展也很迅速,相对于具有类似功能的微流控设备,它具有操作简单,不需要外援设备,可多元检测等优点,开发出了一种可以用来检测多种重金属的纸芯片,显示了良好的灵敏度。

  2、用于水体中营养盐测定芯片系统

  用于营养盐测定的微流控芯片系统多数是基于分光光度的检测原理,运用现代微细加工技术将各种光电元件加以集成,例如,一种用于水体中磷酸盐检测的微流控芯片系统,该系统配有数据的发射装置,可以在目标区域的不同位置分别布置对该区域的磷酸盐污染状况进行全方位的实时监测,检测限量最低为0.3mg/L。

  贾宏新等提出了一种三层杂交结构微流控芯片,在玻璃片上加工微反应通道,用PDMS加工气体渗透膜和具有接受通道的PDMS底片,实现了溶液中铵根正离子反应、生成的氨气扩散分离、吸纳、溴百里酚蓝显色和光度检测在微流控芯片上的集成化。

  3、用于水体中有机污染物分析芯片

  水体中除含有无机污染物外,更大量的是有机污染物,它门以有毒性和使水中溶解氧减少的方式对生态系统产生影响,危害人体健康,因此有机污染物的数量是评价水体污染状况的极为重要的指标。这一类污染物由于其含量较低,通常需要进行前期的预处理,微流控芯片的优点体现在可以将前期的预处理以及后期的检测进行集成,并且具有较高的萃取/富集效率等。

  4、用于水体中微生物检测芯片系统

  水体中的微生物按其粒径,属于颗粒有机碳范围,其种类群可以反映水体生态特征和一些重要的污染状况,是水体生态调查中的常规监测指标。在其测定过程中,流式细胞术是最为准确、快速的方法。但其设备昂贵、体积庞大、需要专人操作,不适合现场、连续监测要求,基于鞘流式流体控制的微流控芯片的出现在一定程度上克服了这些局限,并可能实现仪器的集成化、小型化、自动化和便携化。

  二、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

  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。

微流控芯片

三、微流控芯片在蛋白质分析中的应用

  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B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、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。

  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J时完成的工作在5min内完成,试剂用量在纳克或者纳克以下。

  四、微流控芯片基因分析中的应用

  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5oul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。

  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。

  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。

  五、微流控芯片在仿生研究中的应用

  沿着仿生模拟的研究方向和思路,使得微流控芯片技术对于细胞与微环境时空控制方面的能力在动物细胞生物相关性研究中得到了充分的展示。HO等[30]设计制备了一种细胞捕获芯片,可以通过芯片底层同心电极阵列的电场诱导实现肝细胞在微腔内的辐射式串珠状排列,然后将人脐静脉内皮细胞灌注人间隙,用以模拟肝脏组织。该研究证实了体外重建肝小叶的可能性。Liu等叫采用集成微流控芯片技术构建了一种用于细胞与微环境相互作用动态研究的芯片系统。该芯片采用多层软光刻技术制备,通过气动微阀控制液流、细胞以及细胞微环境,可开展多种微环境模式的细胞刺激应答研究。该研究实现了在芯片内表面处理、细胞定位装载以及异型细胞共培养等连续化实验操作。并开展了针对肿瘤细胞(HepG2肝癌细胞)与基质细胞(3T3成纤维细胞)相互作用的动态系列化操作与分析研究。

  李伟萱等人2针对体外环境对受精和胚胎发育的影响,现有人工辅助生殖技术存在受精成功率低和胎儿出生后风险高的问题,发展了一种微流控芯片子言,芯片包含3层结构,顶层和底层为PDMS而中间层为多孔PC膜,芯片顶层含有宽500pm,高110um蜿蜒形通道,通道中交错分布一系列用于捕获卵细胞的弧形筛网,筛网直径150pm,由6根直径35pm的微柱围成。芯片底层含有4个平行的矩形通道(6mmX3mmX110pm),两端与共同的入口和出口连接。通道底面具有4X3微柱阵列用于支撑PC膜。通过使用子宫内膜细胞-胚胎共培养以及连续灌流方式细致模拟子宫环境以促进胚胎生成。利用上述芯片子宫,完成了排卵、受精、着床以及胚胎发生等一系列实验过程。芯片子宫不仅操作简便,还可以获得较之传统方法更高的胚胎形成率。