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微流控芯片在生物医学领域中的一些应用

微流控芯片的分析性能看,其未来的应用领域将十分广泛,并且其应用领域仍在不断地拓展之中,但目前的重点显然是在生物医学领域。除此之外,高通量药物合成与筛选、环境监测、食品卫生、刑事科学及国防等方面也会成为重要的应用领域。现仅就微流控芯片在生物医学领域的应用举三个例子说明微流控芯片系统的巨大潜力:

1. 毛细管电泳分离

毛细管电泳芯片是微流控芯片中发展最早、也是发展最快的一项芯片技术,目前已经成为微流控芯片领域中最令人瞩目的一个分支,与传统的毛细管电泳相比,它具有自动化程度高、样品消耗少、分析速度快以及高通量等特征,在对DNA片段、多肽、蛋白质等生物大分子的分析中,它表现出了超强的分离分析能力,它被认为是后基因时代中最有希望攻克蛋白质研究、基因临床诊断等科学难题的分离分析手段之一。1992年Manz A发表了第一篇有关毛细管电泳芯片的论文,该文以荧光染料为分析对象,以电渗流作为流体驱动力,在芯片微流体网络中成功地实现了流体控制,向人们展示了毛细管电泳芯片的雏形和其优越的分离分析能力,这一研究成果引起了学术界的广泛关注和兴趣,相继各种用于氨基酸、蛋白质、药物等分离的芯片也不断开发成功。为了进一步提高芯片的分析能力,Mathies领导的研究小组最近在直径为200mm的圆盘玻璃芯片上集成384个毛细管电泳微通道,其有效分离长度达到了8cm,对100bp(base pair,碱基对)~1000bp的基因标准标记物达到了优于10bp的分辨率,并在该芯片上完成了1163D变异基因的PCR-RFLP(限制性片断长度多态性)分析,为临床诊断提供了依据。我们实验室研制出了一种新型结构的PDMS电泳微芯片,并已经在自行研制的LIF检测系统上完成了对氨基酸、PCR markers(标记物)的电泳分离,临床应用实验也正在进行之中。
毛细管电泳微芯片是微流控分析芯片中产业化程度最高、也是最先实现商品化的一类芯片,早在1999年,美国惠普(现为安捷伦)与Caliper Tech-nologies公司联合研制的第一台微流控芯片商品“2100生化分析仪”就已经开始投放市场,该系统使用CAliper公司生产的玻璃芯片,采用LIF进行检测,并配了5~6种试剂盒配合使用,可对DNA、RNA片段及蛋白质等进行电泳分离检测,玻璃芯片尺寸为1.8cm×1.8cm,有效分离长度约1.6cm,30min可同时完成12个样的分离检测。与传统的基因和蛋白质电泳相比,芯片毛细管电泳无需样品的走胶、染色、脱色工序,无需干燥和照相等烦琐耗时的步骤,同时快速测试多个试样,获得基因和蛋白质的电泳图和曲线。整个测试过程简化为快速、简易的三个步骤:装载样品、进行分析、观察数据。

2. 基因测序

毛细管电泳的一个重要应用领域是基因测序,正是因为96根毛细管电泳阵列仪广泛地应用于人类基因组计划的测序工作之中,才使举世瞩目的人类基因组计划的进程大大加快,使之由原定的2003年提前到2000年基本完成。事实上,从基因测序的原理来讲,芯片毛细管电泳测序和普通毛细管电泳测序是完全一致的,但前者表现出了更大的优越性:首先由于芯片毛细管电泳独特的注样方式和更细的分离通道,所以它能实现DNA的快速分离;另一方面微流控芯片采用了半导体工业中成熟的微加工技术进行制造,所以一块芯片上可以集成更多的毛细管,实现高通量测序;最后由于它实现了产物处理和分析的集成化,减少了人为干扰,因此更进一步地降低了操作成本。
Mathies领导的研究小组早在1995年就开始在微流控芯片上开展了DNA测序工作,他们在一块有效分离长度为3.5cm的芯片上测序了150个碱基,他们利用芯片变性毛细管电泳在10min之内就完成了对433个碱基序列的测定。该测序芯片的毛细管长度为3.5cm,横切面尺寸50μm×8μm。为了进一步提高DNA测序能力,到2001年他们在直径为150mm的圆形玻璃芯片上,刻蚀出了96个呈辐射型排布的毛细管电泳通道阵列,由于芯片采用旋转扫描LIF法进行检测,所以可实现平行测序,测序达500碱基。

3. PCR反应

生化反应芯片的功能就是把在普通实验室中进行的生化反应实验缩微到一块小小的芯片上来完成。目前报道的生化反应芯片主要包括聚合酶链反应(Polymerize Chain Reaction,PCR)芯片、药物合成芯片等,其中PCR芯片是生化反应芯片的典型代表。众所周知,常规PCR需要制样、扩增及检测等步骤,既费时又费力,而当用微流控芯片进行PCR扩增及相关检测时,则可大大简化操作步骤、显著提高检测效率。1993年Northrup等人以硅片和玻璃为基质材料首次报道了一种PCR芯片,并通过实验证明了PCR芯片可行性。该芯片的反应室刻蚀在硅片中,体积约为几微升,加热器也直接集成在芯片上,与传统的PCR相比,在相同扩增效率下,该芯片的热循环效率快2~ 10倍。我们实验室利用MEMS技术在硅片上研制出了一种PCR芯片,并实现了PCR扩增反应,芯片加热器和温度传感器都全部集成在芯片上,该芯片的最大升温速度是15℃/s,降温速度为15℃/s,为了使芯片系统达到智能化控制的目的,我们还开发出了相应的热循环控制器,实物图如图2所示。为了进一步提高PCR芯片的热循环速度,Kopp M U等人发展了一种连续流动式的PCR芯片,流动式芯片下面有95℃、72℃、60℃三个不同的恒温区间,当样品流经它们时就会实现自动变温,在流动中完成变性、退火和延伸反应,达到PCR扩增的目的。
另外,一旦把PCR芯片与毛细管电泳芯片二者集成起来的时候,其优势就显得更为明显。Lagally E T等人在玻璃芯片上制作了集阀门、疏水孔、PCR反应池以及毛细管电泳(Capillary Elec-trophoresis,CE)于一体的芯片系统,PCR反应池体积是280nL,PCR扩增前所需模板浓度为20拷贝/mL,反应室中平均仅为5~6个DNA模板分子,加热器和热电偶集成在芯片的背面,10min即可完成20个循环。反应完成后,PCR反应产物在电渗泵的驱动下进入毛细管电泳芯片中,进行在线CE分离分析。该芯片系统集取样、PCR扩增和CE分离于一体,节省了试剂消耗、加快了分析速度,同时也避免了实验操作中的人为污染。


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