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微流控芯片在现代生物化学分析中的应用

目前微流控芯片研究的主流已从基础研究转为不同领域的广泛应用,并从应用的需求中寻求科学问题,进而带动产业化的迅速发展。

 

微流控芯片过去很长一段时间常被称之为微全分析系统(μ-TAS),经过20多年的发展,微流控芯片的功能扩大,应用增多,已远远超出了“分析系统”的范畴,成为多学科交叉的强大科学技术平台,但即便如此,包括核酸分析,蛋白质分析和代谢物分析在内的生物化学分析依然是微流控芯片的重要应用领域,只是,基于微流控芯片的现代生物化学分析更多的把它的研究对象从分子扩展到细胞,并以单个细胞的分析为重要特征。

 

单个细胞是生命活动的基本功能单位。群体细胞的研究结果只能得到一群细胞的平均值,往往会掩盖个体之间的信息差异,而正是各个不同的单个细胞间个体化的差异,对于生命和健康的各个单元过程有重要的甚至是决定性的影响。


应用于单细胞分析的微流控芯片

有很长一段时间,单细胞分析技术受制于其内在基因和蛋白质等物质的极低含量,检测困难。这一领域的突破性进展在很大程度上得益于近年来两种技术的迅速进步,第一是成像技术,包括成像时空分辨率和通量的显著改善;第二则是微流控芯片技术。经过这些年的努力,微流控芯片的潜力已经在细胞研究中得到淋漓尽致的发挥。

 

目前,光镊或超声捕获,光穿孔,电穿孔,细胞裂解,电泳分离和细胞流失计数等单元操作已被尽可能的集成到一块微流控芯片上,并把从互补的各种单元技术得到的信息汇集在一起,用以完成对单个细胞的精确操控分析。单细胞水平核酸分析通常涉及到不同的PCR技术,而单细胞测序则包括单细胞液滴包裹、分选,细胞裂解与磁珠法DNA纯化,DNA洗脱与全基因组扩增,扩增产物收集, 建库和测序分析。就这样,借助于微流控芯片和成像技术对微量流体的精准操控和超灵敏观察,现代生物化学分析迅速把单个细胞,甚至单个分子作为分析对像。

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微流控芯片数字液滴技术

有可能广泛用于现代生物化学分析的微流控芯片数字液滴技术也值得关注。这种基于电润湿原理,在二维平面上运动的微流控数字液滴技术因其操控灵活,形状可变,大小均一,又有优良的传热传质性能,已经被应用于需大量使用微反应技术的现代生物化学分析领域,其中包括全血和体液中血糖值测定、雌激素提纯、氨基酸代谢失调生物标记物检测,新生儿溶酶体贮积症样本的提取及检测、细胞膜离子通道再造模拟生物医疗检测,蛋白质微反应及MALDI-MS 检测等;近期在DNA 提取、修复和放大以及基因测序文库制备上也见报道。在所有这些应用中, 数字液滴已经显示了其籍助于精准操控微反应器在二维平面上灵活处理微量,昂贵样本的独到能力, 以及作为基因组学和蛋白质组学重要组成部分的大规模,高效的样本处理技术的潜在可能性。

 

和现代薄膜半导体技术结合以大幅度提高微流控芯片数字液滴通量的研究也正在进行之中,这种工作在一定程度上显示两种截然不同的芯片深度对接的可能性。一旦这种对接被普遍认同并全方位铺开,相对成熟的电子技术将会源源不断的涌入微流控芯片领域,由大规模集成电路控制的功能型大规模集成微流控芯片会在可以预见的将来变为现实,以“生物手机”等形式影响人类生活的方方面面。


摘自:分析化学   作者:林炳承



标签:   微流控芯片 微液滴 生物化学分析
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