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微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一些應(yīng)用

微流控芯片的分析性能看,其未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹謴V泛,并且其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷地拓展之中,但目前的重點(diǎn)顯然是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。除此之外,高通量藥物合成與篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品衛(wèi)生、刑事科學(xué)及國(guó)防等方面也會(huì)成為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)僅就微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用舉三個(gè)例子說(shuō)明微流控芯片系統(tǒng)的巨大潛力:

1. 毛細(xì)管電泳分離

毛細(xì)管電泳芯片是微流控芯片中發(fā)展最早、也是發(fā)展最快的一項(xiàng)芯片技術(shù),目前已經(jīng)成為微流控芯片領(lǐng)域中最令人矚目的一個(gè)分支,與傳統(tǒng)的毛細(xì)管電泳相比,它具有自動(dòng)化程度高、樣品消耗少、分析速度快以及高通量等特征,在對(duì)DNA片段、多肽、蛋白質(zhì)等生物大分子的分析中,它表現(xiàn)出了超強(qiáng)的分離分析能力,它被認(rèn)為是后基因時(shí)代中最有希望攻克蛋白質(zhì)研究、基因臨床診斷等科學(xué)難題的分離分析手段之一。1992年Manz A發(fā)表了第一篇有關(guān)毛細(xì)管電泳芯片的論文,該文以熒光染料為分析對(duì)象,以電滲流作為流體驅(qū)動(dòng)力,在芯片微流體網(wǎng)絡(luò)中成功地實(shí)現(xiàn)了流體控制,向人們展示了毛細(xì)管電泳芯片的雛形和其優(yōu)越的分離分析能力,這一研究成果引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和興趣,相繼各種用于氨基酸、蛋白質(zhì)、藥物等分離的芯片也不斷開(kāi)發(fā)成功。為了進(jìn)一步提高芯片的分析能力,Mathies領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近在直徑為200mm的圓盤(pán)玻璃芯片上集成384個(gè)毛細(xì)管電泳微通道,其有效分離長(zhǎng)度達(dá)到了8cm,對(duì)100bp(base pair,堿基對(duì))~1000bp的基因標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記物達(dá)到了優(yōu)于10bp的分辨率,并在該芯片上完成了1163D變異基因的PCR-RFLP(限制性片斷長(zhǎng)度多態(tài)性)分析,為臨床診斷提供了依據(jù)。我們實(shí)驗(yàn)室研制出了一種新型結(jié)構(gòu)的PDMS電泳微芯片,并已經(jīng)在自行研制的LIF檢測(cè)系統(tǒng)上完成了對(duì)氨基酸、PCR markers(標(biāo)記物)的電泳分離,臨床應(yīng)用實(shí)驗(yàn)也正在進(jìn)行之中。
毛細(xì)管電泳微芯片是微流控分析芯片中產(chǎn)業(yè)化程度最高、也是最先實(shí)現(xiàn)商品化的一類(lèi)芯片,早在1999年,美國(guó)惠普(現(xiàn)為安捷倫)與Caliper Tech-nologies公司聯(lián)合研制的第一臺(tái)微流控芯片商品“2100生化分析儀”就已經(jīng)開(kāi)始投放市場(chǎng),該系統(tǒng)使用CAliper公司生產(chǎn)的玻璃芯片,采用LIF進(jìn)行檢測(cè),并配了5~6種試劑盒配合使用,可對(duì)DNA、RNA片段及蛋白質(zhì)等進(jìn)行電泳分離檢測(cè),玻璃芯片尺寸為1.8cm×1.8cm,有效分離長(zhǎng)度約1.6cm,30min可同時(shí)完成12個(gè)樣的分離檢測(cè)。與傳統(tǒng)的基因和蛋白質(zhì)電泳相比,芯片毛細(xì)管電泳無(wú)需樣品的走膠、染色、脫色工序,無(wú)需干燥和照相等煩瑣耗時(shí)的步驟,同時(shí)快速測(cè)試多個(gè)試樣,獲得基因和蛋白質(zhì)的電泳圖和曲線(xiàn)。整個(gè)測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)化為快速、簡(jiǎn)易的三個(gè)步驟:裝載樣品、進(jìn)行分析、觀察數(shù)據(jù)。

2. 基因測(cè)序

毛細(xì)管電泳的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是基因測(cè)序,正是因?yàn)?6根毛細(xì)管電泳陣列儀廣泛地應(yīng)用于人類(lèi)基因組計(jì)劃的測(cè)序工作之中,才使舉世矚目的人類(lèi)基因組計(jì)劃的進(jìn)程大大加快,使之由原定的2003年提前到2000年基本完成。事實(shí)上,從基因測(cè)序的原理來(lái)講,芯片毛細(xì)管電泳測(cè)序和普通毛細(xì)管電泳測(cè)序是完全一致的,但前者表現(xiàn)出了更大的優(yōu)越性:首先由于芯片毛細(xì)管電泳獨(dú)特的注樣方式和更細(xì)的分離通道,所以它能實(shí)現(xiàn)DNA的快速分離;另一方面微流控芯片采用了半導(dǎo)體工業(yè)中成熟的微加工技術(shù)進(jìn)行制造,所以一塊芯片上可以集成更多的毛細(xì)管,實(shí)現(xiàn)高通量測(cè)序;最后由于它實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物處理和分析的集成化,減少了人為干擾,因此更進(jìn)一步地降低了操作成本。
Mathies領(lǐng)導(dǎo)的研究小組早在1995年就開(kāi)始在微流控芯片上開(kāi)展了DNA測(cè)序工作,他們?cè)谝粔K有效分離長(zhǎng)度為3.5cm的芯片上測(cè)序了150個(gè)堿基,他們利用芯片變性毛細(xì)管電泳在10min之內(nèi)就完成了對(duì)433個(gè)堿基序列的測(cè)定。該測(cè)序芯片的毛細(xì)管長(zhǎng)度為3.5cm,橫切面尺寸50μm×8μm。為了進(jìn)一步提高DNA測(cè)序能力,到2001年他們?cè)谥睆綖?50mm的圓形玻璃芯片上,刻蝕出了96個(gè)呈輻射型排布的毛細(xì)管電泳通道陣列,由于芯片采用旋轉(zhuǎn)掃描LIF法進(jìn)行檢測(cè),所以可實(shí)現(xiàn)平行測(cè)序,測(cè)序達(dá)500堿基。

3. PCR反應(yīng)

生化反應(yīng)芯片的功能就是把在普通實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的生化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)縮微到一塊小小的芯片上來(lái)完成。目前報(bào)道的生化反應(yīng)芯片主要包括聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerize Chain Reaction,PCR)芯片、藥物合成芯片等,其中PCR芯片是生化反應(yīng)芯片的典型代表。眾所周知,常規(guī)PCR需要制樣、擴(kuò)增及檢測(cè)等步驟,既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,而當(dāng)用微流控芯片進(jìn)行PCR擴(kuò)增及相關(guān)檢測(cè)時(shí),則可大大簡(jiǎn)化操作步驟、顯著提高檢測(cè)效率。1993年Northrup等人以硅片和玻璃為基質(zhì)材料首次報(bào)道了一種PCR芯片,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了PCR芯片可行性。該芯片的反應(yīng)室刻蝕在硅片中,體積約為幾微升,加熱器也直接集成在芯片上,與傳統(tǒng)的PCR相比,在相同擴(kuò)增效率下,該芯片的熱循環(huán)效率快2~ 10倍。我們實(shí)驗(yàn)室利用MEMS技術(shù)在硅片上研制出了一種PCR芯片,并實(shí)現(xiàn)了PCR擴(kuò)增反應(yīng),芯片加熱器和溫度傳感器都全部集成在芯片上,該芯片的最大升溫速度是15℃/s,降溫速度為15℃/s,為了使芯片系統(tǒng)達(dá)到智能化控制的目的,我們還開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的熱循環(huán)控制器,實(shí)物圖如圖2所示。為了進(jìn)一步提高PCR芯片的熱循環(huán)速度,Kopp M U等人發(fā)展了一種連續(xù)流動(dòng)式的PCR芯片,流動(dòng)式芯片下面有95℃、72℃、60℃三個(gè)不同的恒溫區(qū)間,當(dāng)樣品流經(jīng)它們時(shí)就會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變溫,在流動(dòng)中完成變性、退火和延伸反應(yīng),達(dá)到PCR擴(kuò)增的目的。
另外,一旦把PCR芯片與毛細(xì)管電泳芯片二者集成起來(lái)的時(shí)候,其優(yōu)勢(shì)就顯得更為明顯。Lagally E T等人在玻璃芯片上制作了集閥門(mén)、疏水孔、PCR反應(yīng)池以及毛細(xì)管電泳(Capillary Elec-trophoresis,CE)于一體的芯片系統(tǒng),PCR反應(yīng)池體積是280nL,PCR擴(kuò)增前所需模板濃度為20拷貝/mL,反應(yīng)室中平均僅為5~6個(gè)DNA模板分子,加熱器和熱電偶集成在芯片的背面,10min即可完成20個(gè)循環(huán)。反應(yīng)完成后,PCR反應(yīng)產(chǎn)物在電滲泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入毛細(xì)管電泳芯片中,進(jìn)行在線(xiàn)CE分離分析。該芯片系統(tǒng)集取樣、PCR擴(kuò)增和CE分離于一體,節(jié)省了試劑消耗、加快了分析速度,同時(shí)也避免了實(shí)驗(yàn)操作中的人為污染。


標(biāo)簽:   微流控 微流控芯片
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