對微流控元件的多元化應用分析

摘 要：微流控元件已經是現在企業及研發人員所離不開的設備，它具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十倍上百倍地提高等特點，且它可以在幾分鐘甚至更短的時間內進行上百個樣品的同時分析，并且可以在線實現樣品的預處理及分析全過程。本文即以微流控芯片為基礎，講解了微流控芯片在生命科學領域、化學領域、醫學領域的應用。

【關鍵詞】微流控芯片 生命科學 生命規律探索 多領域學科

1 引言

微流控芯片是一種微流體界面精確操作技術，也是最為重要的前沿性分析技術之一。微流控芯片的特點在于可實現常規實驗室諸多基本功能的微型化和集成化。它的目標是把整個化驗室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等集成在微芯片上，且可以多次使用。相對于傳統分析技術而言，微流控芯片是“微”而“全”的分析技術平臺。微流控芯片技術涉及多學科交叉研究領域，在有機合成、疾病診斷、藥物篩選、環境監測等方面都有廣泛的應用。目前微流控芯片已隨著全微分析系統向著微型化、集成化、便攜化、自動化方向發展。

隨著微流控芯片的快速發展，微流控實驗室的概念應運而生，指的是把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢查等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米（甚至更?。┑男酒希晌⑼ǖ佬纬删W絡，以可控流體貫穿整個系統，用以取代常規實驗室的各種繁雜器件的一種技術。

2 微流控芯片在生命科學研究領域的發展

目前，微流控芯片技術正向生命科學研究領域大范圍地發展。細胞是生物界中不可或缺的一部分。細胞中蘊含著人類迄今為止所不知的奧秘。而細胞研究正是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關鍵。隨著對生命規律探索的不斷深入，對實時、動態的研究手段的需求使得新的生命分析技術與方法不斷涌現。微流控芯片技術能夠在其容納流體的有效結構（通道、反應室和其它某些功能部件）內至少在一個緯度上為微米級尺度上開展多種細胞研究。由于是微米級的結構，流體在其中顯示和產生了與宏觀尺度不同的特殊性能。因此發展出獨特的分析性能。而正是這種不同的特性使人們看到了細胞的另一面，這對我們認識細胞有很大的作用。

細胞操縱是利用微流控芯片將細胞運送到指定位置，固定后進行細胞成分、結構和功能等分析。細胞操縱是研究人體細胞的重要手段之一。目前在微流控芯片上進行細胞操縱的手段主要有：機械操縱法、光學操縱法、電場操縱法等。

2.1 機械操縱法

機械化操縱法主要是使用機械加工技術進行高精度加工，在芯片上蝕刻出各種結構，并根據細胞的尺寸進行差異化物理分離的方法。它具有工作原理簡單，不需要特殊處理的優點。缺點是需要使用高精度加工設備，成本較高，結構復雜，且要求目標細胞與其有明顯的差異。

2.2 光學操縱法

光學操縱是指當光束照射到細胞時，其勢能對細胞產生作用力，細胞在這個力的作用下被捕獲到分析位置。其優點是不接觸、不損傷細胞，減少了實驗誤差，可便于微米范圍內的精細操作及定位。但其設備價格昂貴，且僅能用于短距操作。

3 微流控芯片在化學領域的應用

目前，微流控芯片在化學領域的應用方向主要有DNA測序、單細胞分析、蛋白質分析、單分子分析等。在實際應用中我們常利用電泳技術分離并記錄電泳圖譜，以用于分析個體間的遺傳差異等。微流控芯片也是如此，可將芯片溶液中的電荷顆粒，在電場影響下向著與自身帶相反電荷的電極移動，這有助于我們加快對化學制劑的定量分析。

3.1 DNA測序

在上述研究方向中，核糖核酸序列分析的根本手段是DNA測序，而核糖核酸是遺傳信息傳遞過程中的橋梁，對研究人體奧秘的重要性不言而喻。在此領域，Mathies等人在改善芯片性能的同時，利用96通道微陣列芯片，完成了平均長度為430bp的序列分析。Bachhouse等人在50cm長的分離通道實現700dp的序列分析，僅用2.5h。這些研究成果均采用微流控芯片技術，其優點是：提高了速度，減少了消耗，具有很大的發展潛力。

3.2 單細胞分析

人類的重大疾病（癌癥），皆由細胞所發。以現在醫療水平而言，癌癥并未被攻克，則對重大疾病的早期發現和預防成為了現代醫學的重點。微流控芯片以其網絡結構和微米級的通道尺寸使簡化和分析病變細胞成為可能，這對我們充分的認識細胞大有好處。而在實際操作中，樣品細胞需要在芯片的復雜微通道上進行多種試劑、多個步驟的預處理，這雖然有高精度與耗樣少的優點但卻會使技術難度與操作難度成倍提高。雖然在技術上有諸多難點，但卻阻擋不了人們對它使用的步伐。例如，高健等人在芯片上以人的血紅細胞為對象，采用電泳緩沖液和高電場技術完成了細胞的快速溶膜，這為我們提供了新的研究平臺，提供了新的方法。

3.3 蛋白質分析

蛋白質的篩分對認識病原體與正常細胞的特征區別有重要意義，而微流控芯片的高精度分析性又正好支持了這一要求。對病原體微生物基因組的特征性片段及基因變異的多位點和特征性分析，將有助于我們認識病原微生物的所屬種類、致死率、抗藥性、亞型、致病性、同源性、多態性和變異的各種特征，可加快研究人員研究和設計出對該病原微生物的防治方法及特效藥，為疾病的診斷和治療提供一個很好的切入點。目前在實際應用過程中，研究人員常利用電泳技術結合對酶反應物檢測技術來研究各種病原體表面蛋白質特性，且對其它更加復雜的蛋白質成分的分析方法也已經建立。

4 微流控芯片在醫學領域的發展

細胞是生物最基本的組成單元，在已知的重大疾病中，腫瘤（CSC）也是威脅人類健康的主要疾病之一。目前在醫學領域，已經在白血病、腦癌等腫瘤組織中成功分離出了腫瘤干細胞，深入了解腫瘤干細胞的生物學特性、發展相應的鑒別方法以及特殊的治療手段對癌癥的臨床治療有著重要的意義。而微流控芯片在腫瘤細胞的研究上有無可比擬的優勢。

微流控芯片在醫學領域的優勢：微流控芯片具有操作靈活、整體可控的和規模生成的特點。其在細胞研究中的特點及優勢為：

（1）其微通道尺寸與典型哺乳類細胞直徑大小相合，這利于單細胞的操縱和分析；

（2）芯片的多維網絡結構形成相對封閉環境，與生理狀態下細胞的空間特征接近，這對我們研究細胞在常態下的性狀大有好處；

（3）芯片的微通道尺寸決定其傳熱及傳質較快，可以提供有利的細胞研究環境。

5 對微流控芯片的總結與展望

本文從三個方面簡單的分析介紹了微流控芯片在實際應用中的各種特點及優勢，雖然微流控芯片在各領域的分析能力無可替代，但其不足之處也值得我們注意。例如，在芯片注塑成型階段須注意溫度、壓力、成型周期這幾個參數，過與欠都將成為廢品。且應用材料單一及微小溝道復制度不高、芯片的生化反應的可控性不強，集成能力不夠高，也是芯片發展亟待解決的問題。

雖然微流控芯片的技術難點仍有很多，但隨著微流控芯片的產業化，芯片的各種優點正在不斷被人們所挖掘，不難想象未來微流控芯片在生化及各領域的蓬勃發展。

參考文獻

[1]Whitesides G M.Nature，2006，442（7101）：368-373.

[2]方肇倫，方群.微流控芯片發展與展望[J].現代科學儀器，2001，4：3-6.

[3]Sorger P K.Nat.Biotechnol，2008，26（12）：1345-1346.

[4]Zhang Q，Xu J J，Liu Y，Chen H Y.Lab Chip，2008，8（2）：352-357.

[5]Xu B Y，Xu J J，Xia X H，Chen H Y.Lad Chip，2010，10（21）：2894-2901.

[6]劉文明.微流控細胞芯片生命分析應用多元化[J].分析化學，2012，1：24-31.

[7]朱天淳.激光光鑷對生物細胞操縱的研究[J].中國血液流變學，2002，12（3）：179.

[8]田靜.微流控芯片在生物化學分析中的應用[J].科技情報開發與經濟，2005，15（12）：138.

[9]林炳承，秦建華.微流控芯片分析化學實驗室[J].高等學?；瘜W報，2009，30（3）：433-445.

[10]田曦亮.基于微流控技術平臺的骨髓間充質干細胞分選、誘導并促進軸突再生的實驗研究[D].大連醫科大學附屬第一醫院，2013，4.

[11]龐中華.微流控芯片技術的現狀與發展[J].塑料，2010，3（39）：11-13.

[12]徐溢.微流控分析芯片上生化反應技術研究進展[J].化學進展，2007，19（5）：821-830.

[13]林炳承，秦建華.微流控芯片實驗室[M].北京：科學出版社，2006（07）.

作者簡介

周文彬（1996-），男，山東省膠州市人?，F為濰坊學院信息與控制工程系在讀大學生。單片機工程師。研究方向為電子信息工程。

作者單位

濰坊學院信息與控制工程系 山東省濰坊市 261061