1.技術(shù)原理       

       微型芯片根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理可分為兩大類:微陣列芯片(Microarraychip)和微流控芯片。微流控芯片采用類似半導(dǎo)體的微機(jī)電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng),將實(shí)驗(yàn)與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上。加載生物樣品和反應(yīng)液后,采用微機(jī)械泵、電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動(dòng)芯片中緩沖液的流動(dòng),形成微流路,于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導(dǎo)熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測手段已經(jīng)被用在微流控芯片中,對樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和高通量分析。微流控芯片的最大特點(diǎn)是在一個(gè)芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復(fù)合體系的微全分析系統(tǒng)。微型反應(yīng)器是芯片實(shí)驗(yàn)室中常用的用于生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu),如毛細(xì)管電泳、聚合酶鏈反應(yīng)、酶反應(yīng)和DNA雜交反應(yīng)的微型反應(yīng)器等。其中電壓驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管電泳(CapillaryElectrophoresis,CE)比較容易在微流控芯片上實(shí)現(xiàn),因而成為其中發(fā)展最快的技術(shù)。它是在芯片上蝕刻毛細(xì)管通道,在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動(dòng),完成對樣品的檢測分析。如果在芯片上構(gòu)建毛細(xì)管陣列,可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對數(shù)百種樣品的平行分析(其模式示意圖見圖1)。自1992年微流控芯片CE首次報(bào)道以來,進(jìn)展很快。首臺商品儀器是微流控芯片CE(生化分析儀,Aglient),可提供用于核酸及蛋白質(zhì)分析的微流控芯片產(chǎn)品微流控芯片CE技術(shù)在反應(yīng)體系中引入先進(jìn)有效的內(nèi)對照系統(tǒng),與目的基因在一個(gè)體系中同步擴(kuò)增,一方面可監(jiān)測PCR污染,另一方面通過LowMarker、UpperMarker定位及相對定量,可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的微量化全定量檢測。同時(shí),有高效的防污染系統(tǒng),可排除假陽性。微流控芯片儀可自動(dòng)識別PCR產(chǎn)物或蛋白質(zhì)的不同大小的片段,并以數(shù)字化的形式直接給出有關(guān)基因的PCR產(chǎn)物或蛋白質(zhì)的大小和濃度等有關(guān)信息。目前該技術(shù)已用于DNA、RNA、蛋白質(zhì)和細(xì)胞等生物學(xué)檢測。

2.微流控芯片的應(yīng)用

       原則上,微流控芯片可以用于各個(gè)分析領(lǐng)域,如生物醫(yī)學(xué)、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等其他重要應(yīng)用領(lǐng)域,其中生物分析是熱點(diǎn)。目前其應(yīng)用主要集中在核酸分離和定量、DNA測序、基因突變和基因差異表達(dá)分析等。另外,蛋白質(zhì)的篩分在微流控芯片中也已有報(bào)道。

       國際上公認(rèn)的PCR產(chǎn)物檢測共有五種方法,按其靈敏度高低順序排列為:毛細(xì)管電泳法、固相雜交法、液相雜交法、高壓液相雜交法和凝膠電泳法(不推薦臨床)。微流控芯片CE以毛細(xì)管電泳為該芯片主體,無需進(jìn)行探針雜交,受檢樣品的信號獲得率接近百分之百。微流控芯片CE可檢測15～7500bp范圍的PCR產(chǎn)物,分辨率可達(dá)20bp,樣品微量化使擴(kuò)散進(jìn)一步減少,分離效果極好,每孔可供多個(gè)不同的PCR產(chǎn)物作同時(shí)分析。

       該技術(shù)臨床應(yīng)用已多有報(bào)道。(1)應(yīng)用多重逆轉(zhuǎn)錄PCR(multiplexReverseTranscription-PolymeraseChainReaction,mRT-PCR)通過多組特定引物設(shè)計(jì),經(jīng)mRT-PCR擴(kuò)增后,其產(chǎn)物應(yīng)用微流控芯片CE檢測,同時(shí)可檢測數(shù)種上呼吸道病毒,并可準(zhǔn)確鑒定病毒的種類、型和亞型,其中可包括SARS病毒。(2)核酸擴(kuò)增檢測技術(shù)可縮短病毒“窗口期”,而應(yīng)用微流控芯片,可同時(shí)檢測多種病原微生物核酸的PCR產(chǎn)物如HBV、HCV、HIV、梅毒等。對獻(xiàn)血員進(jìn)行更為有效的篩選,減少甚至避免輸血傳播疾病的發(fā)生。(3)HBVDNA的定量測定能準(zhǔn)確反映出HBV的復(fù)制水平、病程變化和治療效果等,所以在乙型肝炎的臨床診斷、治療方案選擇和抗病毒療效觀察等方面起著重要的作用。

3.微流控芯片的特點(diǎn)

       微型芯片的主要特點(diǎn)是高通量、微型化和自動(dòng)化,是在傳統(tǒng)生物技術(shù)和疾病診斷等方面的創(chuàng)新和飛躍。微流控芯片的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)寬了生物芯片的內(nèi)涵,是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn),它有很多優(yōu)點(diǎn)。

       微流控芯片主要以分析化學(xué)和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ),以微機(jī)電加工技術(shù)為依托,以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征,各工作單元既能獨(dú)立完成單一反應(yīng)或單元操作,也能與其他單元合作完成較復(fù)雜的工作,使整個(gè)芯片成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的反應(yīng)系統(tǒng)。探針和靶分子的作用是主動(dòng)式的,因而大大增強(qiáng)敏感性,提高反應(yīng)速率。微流控芯片把整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的功能,包括樣品處理、化學(xué)反應(yīng)、分離和檢測等集成在芯片上,且可多次使用,因此具有更廣泛的適用性。每個(gè)芯片可用于多個(gè)病人而不是一個(gè)病人一塊芯片,每塊芯片至少可重復(fù)使用20次,因此比微陣列芯片更為經(jīng)濟(jì)耐用。微流控芯片為通用模式的DNA芯片,特異性由PCR控制,因此可以提供檢測平臺。利用菜單式服務(wù),及時(shí)提供臨床信息,也為將來長期發(fā)展新增的項(xiàng)目提供基礎(chǔ)。

現(xiàn)代儀器  作者：岳紅 張正