微流控芯片技术及其应用
栏目:行业动态 发布时间:2020-06-16 23:07
微流控芯片手艺及其操纵_能源/化工_工程科技_专业原料。适用文档 微流控芯片手艺及其正在人命科学中的操纵 摘要:微流控芯片最初泉源于阐述化学界限,是一种采用灵巧加工手艺,...

  微流控芯片手艺及其操纵_能源/化工_工程科技_专业原料。适用文档 微流控芯片手艺及其正在人命科学中的操纵 摘要:微流控芯片最初泉源于阐述化学界限,是一种采用灵巧加工手艺,正在数平 方厘米的基片,修制出微通道汇集组织及其它成效单位,以完毕集微量样品制备、 进样、

  适用文档 微流控芯片手艺及其正在人命科学中的操纵 摘要:微流控芯片最初泉源于阐述化学界限,是一种采用灵巧加工手艺,正在数平 方厘米的基片,修制出微通道汇集组织及其它成效单位,以完毕集微量样品制备、 进样、反映、区别及检测于一体的疾速、高效、低耗的微型阐述实习安装。跟着 微电子及微死板修制手艺的不休发展,近年来微流控芯片手艺成长迅猛,并初阶 正在化学、人命科学及医学器件等界限阐扬要紧效用。本文最初简略先容了微流控 芯片的联系手艺,然后首要发挥了其正在卵白质筹议、细胞筹议、DNA 阐述和测序、 仿生筹议等方面的操纵。 枢纽字:微流控芯片,人命科学,操纵 Abstract: Microfluidic chip technology originated from analytical chemistry, adopts microfabrication technologies to make microchannels on a chip about several square centimeters. The technology can integrate the sample’s injection, separation and detection into a single chip. The advantage of microfluidics is rapid, high efficiency and low consumption. With the progress of microelectronics and other microfabrication techniques, the technology of microfluidic chip developed rapidly recent years, and began to play more and more important roles in chemistry, biology and medical instruments. This artical introduced the related technologies of microfluidic chip, and then mainly expounded its applications in protein research, cell research, DNA analysis and detection, and bionic research. Keywords: microfluidic chip; life science; application 适用文档 媒介 微流控芯片是一种以正在微米标准空间对流体实行操控为首要特色的科学技 术,具有将生物、化学等实习室的根本成效微缩到一个几平方厘米芯片上的技能, 所以又被成为芯片实习室。正在现阶段,主流款式的微流控芯片众由微通道酿成网 络,以可控流体贯穿全盘编制,用以完毕惯例化学或生物等实习室的各样成效。 微流控芯片的根本特色和最大上风是众种单位手艺正在卫校可控平台上天真组合 和领域集成[1]。 依据筹议界限的分歧,微流控芯片实习室可简略划分为微流控芯片化学实习 室、微流控芯片生物实习室、微流控芯片光学实习室以及微流控芯片讯息实习室 等,此中,最早酿成的是微流控芯片化学实习室中的微流控芯片阐述化学实习室。 阐述化学是微流控芯片最早最直接的操纵界限之一,微流控芯片阐述化学实习室 的构修和圆满是 21 世纪前 20 年阐述化学成长的一个主流趋向[2]。 1 微流控芯片联系手艺 1.1 微流体左右及驱下手艺 微流控芯片中流体的操控标准正在微米量级,介于宏观标准和纳米标准之间, 这种标准卑劣体运动显示出二重性。一方面,微米标准已经巨大于通俗道理上分 子的均匀自正在程,所以,看待此中的流体而言,接续介质定理创建,接续性方程 可用,电渗和电泳淌度与尺寸无闭。另一方面,相看待宏观标准,微米标准上的 惯性力影响减小,黏性力影响增大,雷诺数变小(通俗正在 10-6-101 之间),层流特 点鲜明,传质流程从以对流为主转为以扩散为主,而且面体比填补,黏性力、外 面张力及换热等外面效用加强,边际效应增大,三维效应不行轻视。与此同时, 微米标准和纳米标准又有许众要紧的区别。正在纳米标准下,物体的尺寸和分子平 均自正在程附近,所以电泳淌度变得和横截面尺寸相闭,偶电层电荷重叠,电渗减 少,进而影响到赐与流体的动量。别的,空间的压缩会调换大分子的样子,大分 子的淌度也将受到非平面流速矢量场的影响,最终导致对流体的左右相对贫穷[3]。 1.2 区别手艺 区别是微流控芯片样品阐述的要紧一步。芯片平分离毛细管槽负载了大片面 外加电压,其场强众正在 200—500V/cm 之间,所以正在打算时应尽量想法低浸负载 电压[4]。为了普及区别的效力,微流控芯片中运用了很众办法,如 Kutter 依据 HPLC 中梯度洗脱的办法,打算了两个缓冲液池,内装分歧极性的缓冲液,以不 同的体积比同化缓冲液,再以此同化液作样品的扶助电解质,实习讲明成果较好, 适用文档 区别韶华小于 1 min[5]。 1.3 微液滴手艺 微液滴操控蕴涵微液滴天生和微液滴驱动,按天生式样可能将操控微液滴的 办法分为两大类。一类是被动法,即通过对微通道组织的卓殊打算使液流限制产 生速率梯度来对微液滴实行操控,首要为众相流法[6]。该法的首要特性是可能速 速批量天生微液滴;另一类是主动法,即通过电场力、热能量等外力使液流限制 发作能量梯度来对微液滴实行操控,首要蕴涵电润湿法[7]、介电电泳法[8]、气动 法[9]和热毛细管法[10]。该法的首要特性是可能对单个微液滴的操控。与守旧接续 流编制比拟[11],离散化微液滴编制有一系列潜正在上风,如消磨样品和试剂量更少, 同化速率更速,不易变成交叉污染,易于操控等。 1.4 检测手艺 区别物的高乖巧度检测看待微流控芯片有着要紧道理。目前,微流控芯片的 检测办法大要上可能分为 3 类:光学检测、电化学检测及质谱学检测。 紫外吸取检测法[12]是一种惯例光学检测法,相应的检测器依然趋于成熟,但 因为芯片的通道小、乖巧度不高,所以该办法依然不行能满意对低浓度和极微量 样品阐述的哀求。激光诱导荧光检测是通盘荧光检测中乖巧度最高的一种办法。 大批景况下其检测下限可达 10-10—10-12 mol/L,是以该办法获得了通俗的操纵。 电化学检测[13]有安培法、电导法和电位法 3 种根本形式,此中安培法是操纵 最广泛的一种办法。其根本道理是:丈量化合物正在电极外面受到氧化或还原反映 时,会落空或获得电子,发作与阐述物浓度成正比的电极电流,通过丈量微通道 中的电流即可获得溶液浓度的转折景况。电化学检测的乖巧度可能与荧光检测相 媲美,同时,由于微电极可能加工到芯片上,所以更适合于微芯片的检测。 质谱检测[14]的道理是依据分子质荷比的分歧而到达检测的宗旨。其最大便宜 是可能供应分子空间组织讯息,所以正在生物大分子(如卵白质)的组织筹议方面 具有独到之处。但由于质谱检测编制自己比芯片还要大,是以也很难完毕全盘系 统的微型化。简单的检测办法将很难竣工全数检测工作,所以应对众种检测办法 的说合运用及新的检测办法实行筹议。 2 微流控芯片的操纵 2.1 微流控芯片正在卵白质筹议中的操纵 正在卵白质阐述手艺中,卵白质芯片是一种高通量、微型化和自愿化的新型分 析本领。目前卵白质芯片首要分两种:一品种似于 芯片,即正在固相扶助物外面 适用文档 高密度陈列的探针卵白点阵,可特异地缉捕样品中的靶卵白,然后通过检测器对 靶卵白实行定性或定量阐述;另一种即是微流控电泳芯片,通过正在玻璃片或硅片 上树立各样微泵、微阀、微电泳以及微流道,可将生化实习室的阐述成效浓缩固 化正在卵白质芯片上,然后正在电场效用下,样品中的卵白质通过芯片上的孔道区别 开来,经喷雾直接进入质谱仪中实行检测,以确定样品中卵白质的分子量及品种。 卵白质芯片将为生物化学和分子生物学供应强有力的阐述用具。相看待 DNA 芯片, 卵白质芯片的筹议开展显得相对滞后,首要情由是[15]:(1)芯片原料外面的装饰 办法尚不可熟;(2)样品制备和象征操作过于繁琐;(3)信号检测乖巧度低,如 低拷贝卵白质的检测和难溶卵白的检测精度越发难以保障,所以需求研制和开采 高度集成化样品制备及检测仪器。这些题目不只为卵白质芯片手艺填补了难度, 同时也是卵白质芯片能否从实习室推向临床操纵的枢纽所正在。 Clemmens 等人[16]修制出一种具有螺旋形通道汇集的微流控芯片,可使微管 沿着遮盖有驱动卵白的螺旋轨道运动并对其实行及时监测和浓缩,称之为动力蛋 白“绕行”。正在细胞中,动力卵白正在物质运输及细胞组分构修等方面起着至极闭 键的效用。活性生物运输分子如驱动卵白不只被用正在细胞系统中运输纳米标准的 物质颗粒,况且还可用于拼装及定位细胞组织,它操纵 ATP 水解所开释的能量沿 着微管向其正极运输小泡。所以,职掌并左右这些动力卵白的运动景况看待构修 生物纳米原料是至极要紧的。Clemmens 等[17]正在微通道上遮盖了一层驱动卵白, 并正在卵白溶液中参预 ATP,所以用荧光象征的微管可正在驱动卵白的效用下,操纵 ATP 水解所开释出的能量沿着轨道滑行。因为左右动力卵白的运动至极枢纽,因 此务必打算出最为适合的轨道。他们最初打算了种分歧样子的通道汇集即十字交 叉形、三角交叉形以及螺旋形。结果讲明,微管正在前两种轨道中运动时会陷于拐 角处而无法接续前行;而正在螺旋形轨道中,微管可能平昔沿着通道运动并最终浓 缩蚁集于螺旋主旨。 微流控安装的用处通俗,但目前时兴的微流控安装最大的亏损之处是它们需 要大方辅助的外部修设,体积广大且本钱很高,这就极大地限定了它的操纵。 Garcia 等[18]研制出一种全新的微流控安装,可能左右某种成效卵白从脱水的无 活性状况规复至其成效状况。他们正在微通道壁旁做了一个蕴藏室,正在系统封合之 前,往该室中装上浓缩的海藻糖及葡聚糖溶液,溶液中含有咱们需求的化学试剂, 如β-半乳糖苷酶。当这种含有的β-半乳糖苷酶的糖溶液凝聚从此,酿成一种储 藏母体,然后将系统封合。如许,半乳糖苷酶就处于脱水的无活性状况。 RBG 行动 β-半乳糖苷酶的底物,自己不发荧光,然而当它被β-半乳糖苷酶分析后, 所得产品为半乳糖和荧光染料试卤灵。该分析反映是一个一步竣工的简略酶促反 应,其动力学弧线契合米氏方程,所以可能通过检测荧光强度来检测酶生机。当 8.2μM 的 RBG 溶液流过微通道并进入穴中时,可使葡聚糖母体溶化并开释出β- 适用文档 半乳糖苷酶。该酶正在溶液中从脱水的无活性状况转化为活性状况,并催化 分析, 天生荧光产品试卤灵,通过检测荧光强度可能测得半乳糖苷酶的生机。结果讲明, 正在全盘实习流程中,积蓄室中的酶已经坚持着 30%—50% 的初始生机。酶生机之 是以有云云大的浮动,大概源于所加酶溶液的体积纷歧概(150±75nL )。他们 还较量了正在其他要求好像的景况下,圆柱形与方形积蓄室对酶生机的影响,结果 讲明,用圆柱形积蓄室时酶生机较高,而且开释稳固,成果较佳。 2.2 微流控芯片正在细胞筹议中的操纵 微流控芯片手艺用于细胞作育及其生化阐述已惹起较通俗的闭心,如细胞操 作,绿色荧光卵白的外达,基因转染,细胞活性测试,细胞区别,细胞内钙离子 的丈量,激素渗透监测以及高通量的细胞含量阐述等。自从 Harrison 等人[19]首 次正在微流控芯片上对细胞实行独霸及传输试验后,Yang 等人[20]用微流控芯片研 究细胞群体的陈列动作,并用荧光检测其摄取钙离子的反映景况。 微流控芯片手艺正在动物细胞的操纵筹议极度通俗,特别是哺乳动物细胞。除 上述的根本细胞作育以外.筹议者还展开了大方基于微流控芯片的平常细胞和肿 瘤细胞操作、阐述及其推行操纵筹议.蕴涵细胞分类、细胞协调、单细胞缉捕与 基因阐述、细胞与微境况彼此效用,细胞应答(如细胞形变、细胞骨架重组、细 胞内卵白渗透、及细胞趋化等)高通量药物筛选等[21]。各样以细胞作育为根柢的 微流控芯片操纵不休闪现[22].极大地普及了细胞阐述效力。比如,Sugiura 等[13] 制备了一种平行阵列式微腔细胞芯片,可同时展开 7 种抗肿瘤药物对人宫颈癌 Hela 细胞的抗癌效用筹议。 秦修华等[24]以临床抗肿瘤药物诱导肝癌(HepG2)细胞凋亡为模子,构修了一 种细胞水准高内在药物筛选微流控芯片平台,将细胞作育、药物浓度梯度天生、 细胞受激和反响等流程一律集成正在一块只要几平方厘米巨细的芯片上竣工。一次 运转可同时发作 64 种药物效用要求并可获取 192 个细胞反响结果.操纵该芯片 同时阐述了药物效用后细胞线粒体膜电势、细胞核、细胞膜以及胞内氧化.还原 状况的转折.结果显示,分歧药物诱导细胞凋亡露出分歧的剂量效应.该作事充 分地呈现了微流控芯片将众种单位手艺天真组合和领域集成的特性,与守旧的众 孔板手艺比拟,省去了配制和分拨众种药物分歧浓度溶液的繁冗操作,大大简化 了细胞接种、受激、洗涤和象征操作流程,明显低浸了细胞和试剂耗量。 完毕单细胞检测是微流控芯片正在细胞筹议中的成长偏向。实行单细胞胞内组 分阐述日常有两种式样:一种是将细胞溶膜后勾结电泳区别检测细胞组分;另一 种是用刺激剂或分歧浓度梯度的溶液对完美细胞进谋杀激,使细胞开释出胞内组 分,从而完毕无损检测(众用于离子通道筹议)。因为单细胞组分阐述的宗旨与 细胞计数分歧,所以单细胞组分阐述时,更众选取了比上述办法或更轻便直接的 适用文档 办法来独霸细胞,如电压、液压左右,或两者的勾结[23]。Wheeler 等[24]通过众层 软刻蚀手艺用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作了众层微流控芯片,用来阐述单细胞。 低雷诺数的细胞悬液由 T 型通道顶部流向底部,向足下分成两股液流,正在交点处 闪现静止点,正在今朝蚀超微型隔断室,单个细胞落入隔断室后,而受隔断室体积 的限定其他细胞不行进入,可从细胞悬液中急迅区别出单个细胞。隔断室左上侧 为试剂 R 通道,左侧为缓冲溶液(SB)通道,通过一系列泵、阀左右,微体积的 试剂被无误地引入隔断室,与细胞组分反映。他们正在这个安装进取行了细胞内的 Ca2+离子流实习,将衍生试剂、刺激剂接踵灌注到微室中,细胞正在受到刺激后释 放出被荧光象征的 ,然后实行激光诱导荧光(LIF)检测。 2.3 微流控芯片正在 DNA 阐述及测序中的操纵 (1)DNA 阐述 微流控芯片可用于急迅区别 DNA 限定性片断 PCR 产品,比惯例的毛细管电泳 区别要速得众。把 PCR 扩增反映缩微集成到硅芯片上,β珠卵白宗旨基因进 15min 的扩增,然后仅用 2 min 就可竣工 PCR 产品的区别,全盘阐述流程不到 20 min。 头陀菌基因组 DNA 的 PCR 产品可正在 45 min 内区别,不需人工变动其产品,况且 可及时左右 PCR 的扩增。简并寡核苷酸引物 PCR 扩增人基因组 DNA,产品小于 25 bp 时,可引入芯片用于进一步杂交点突变、众组分的 PCR 阐述。Larry 等[25]打算 同化样品众 PCR 产品电泳芯片区别,可同时阐述 10 个以上 PCR 反映产品,特别 实用于基因作图阐述,以及遗传性疾病诊断。正在微流控芯片上视察荧光象征 DNA 的反复三联体序列,区别速率是惯例毛细管电泳的十几倍。 林炳承课题组以大方的临床现实样品为对象,以病原体基因检测、基因分型 和基因突变检测为根本途径,验证了微流控芯片实行基因诊断和遗传众态性阐述 的可行性。展开了主要急性呼吸编制归纳征(SARS)病毒[26]、高血压易感基因[27] 以及肿瘤联系基因(P16 基因)甲基化[28]等临床样品的领域检测。操纵自行研制的 微流控芯片编制,勾结逆转录众重 PCR 扩增反映,竣工了对 18 例疑似 SARS 患者 咽拭子样品的检测。将微流控芯片手艺与 PCR 一限定性片断长度众态性(RFLP) 办法联用,竣工了对 123 例原发性高血压患者和 103 例对比人群血管仓皇素原 (AGT)基因中央启动子区(-6A/G)的基因众态性阐述,并对两组人群 ACT 基因的基 因型及等位基因频率散布实行较量,竣工了对 93 例分歧肿瘤患者和 66 例对比人 群 P16 基因的甲基化检测和大方临床疑诊样品众种病原体基因(结核杆菌、乙型 肝炎病毒和丙型肝炎病毒)的疾速检测.同时,勾结序列特异性引物阐述(SSP) 展开了对疑似强直性脊椎炎样品白细胞联系抗原(HLA—B27)基因等的联系测定, 以及分歧结构岩藻糖基变动酶基因外达筹议等作事。 (2)DNA 测序 适用文档 用微流控芯片四色象征法测序,可正在 540s 区别个 150 碱基,凿凿率正在 70% 以上[29]。惯例 DNA 测序需求制备微升级的样品,试剂消磨量大,将纳升级的样品 制备编制缩微到芯片进取行测序,可正在区别前除去众余的引物、盐份、核苷酸等, 所用测序体积是 Sanger 双脱氧链终止法的 1/300 ,测序本钱鲜明低浸,况且可 实行固相测序。 2.4 微流控芯片正在仿生筹议中的操纵 沿着仿生模仿的筹议偏向和思绪,使得微流控芯片手艺看待细胞与微境况时 空左右方面的技能正在动物细胞生物联系性筹议中获得了充溢的展现。Ho 等[30]设 计制备了一种细胞缉捕芯片,可能通过芯片底层一心电极阵列的电场诱导完毕肝 细胞正在微腔内的辐射式串珠状陈列,然后将人脐静脉内皮细胞灌注凡间隙,用以 模仿肝脏结构。该筹议证据了体外重修肝小叶的大概性。Liu 等[31]采用集成微流 控芯片手艺构修了一种用于细胞与微境况彼此效用动态筹议的芯片编制。该芯片 采用众层软光刻手艺制备,通过气动微阀左右液流、细胞以及细胞微境况,可开 展众种微境况形式的细胞刺激应答筹议。该筹议完毕了正在芯片内外面惩罚、细胞 定位装载以及异型细胞共作育等接续化实习操作。并展开了针对肿瘤细胞 (HepG2 肝癌细胞)与基质细胞(3T3 成纤维细胞)彼此效用的动态系列化操作与分 析筹议。 李伟萱等人[32]针对体外境况对受精和胚胎发育的影响,现有人工辅助生殖技 术存正在受精告成率低和胎儿出生后危险高的题目,成长了一种微流控芯片子宫, 芯片包括 3 层组织,顶层和底层为 PDMS 而中心层为众孔 PC 膜,芯片顶层含有宽 500μm,高 110μm 蜿蜒形通道,通道中交织散布一系列用于缉捕卵细胞的弧形 筛网,筛网直径 150μm,由 6 根直径 35μm 的微柱围成。芯片底层含有 4 个平 行的矩形通道(6mm×3 mm×110μm),两头与协同的入口和出口衔尾。通道底面 具有 4×3 微柱阵列用于撑持 PC 膜。通过运用子宫内膜细胞-胚胎共作育以及连 续灌流式样细密模仿子宫境况以督促胚胎天生。操纵上述芯片子宫,竣工了排卵、 受精、着床以及胚胎爆发等一系列实习流程。芯片子宫不只操作轻便,还可能获 得较之守旧办法更高的胚胎酿成率。 3 预测 自 20 世纪 90 年代此后,微流控芯片手艺的闪现极大地督促了微型化操作与 阐述筹议办法的成长。微流控芯片是通过正在芯片上加工出微型通道和其他的成效 单位,完毕样品的进样、反映、区别和检测等流程。它是一种众成效疾速、高效、 试样用量少的微型实习安装,其最终对象是开发微全阐述编制(μ-TAS)或缩微 适用文档 芯片实习室(lab on a chip)。微流控芯片正在人命科学筹议界限的通俗渗出,正在 很大水准上普及了人们对生物个人及其自己的微观领会。基于微流控芯片的细胞 阐述,督促了该手艺正在人命科学及其联系筹议界限的操纵,特别正在活细胞组织与 成效联系人命勾当阐述,及人类糊口推行亲昵联系的操纵阐述筹议。 采用大领域阵列化集成细胞芯片手艺完毕的疾速、高通量药物毒性阐述与筛 选,希望办理平昔困扰制药业界限新药研发周期长的困难;同时,各样境况污染 物监测芯片和临床诊断芯片的问世,为进一步革新和普及人类自己强健及其糊口 境况供应了大概。子宫芯片的闪现,可能让咱们测验筹议出肝脏芯片、心脏芯片 等等人体器官芯片,可用于模仿体内的药物筛选,减省人力物力和韶华,更甚者, 将器官芯片成长得成熟和理念之后,可能实行体内移植。 虽然目前的微流控芯片手艺可能竣工高度韶华与空间左右性细胞操作阐述, 但其完毕的细胞滋长境况间隔现实的体内细胞微境况还相差甚远。假若微流控芯 片编制可能构修出完美的细胞作育境况,它将很大概代替守旧细胞作育和动物研 究形式,真正成为新一代的细胞人命筹议平台。 参考文献 [1] 林炳承.微纳流控芯片实习室[M].北京:科学出书社,2013:1-6 [2] 林炳承,秦修华.微流控芯片阐述化学实习室[J].上等学校化学学报,2009, 30(3):443-445 [3] 王立凯,冯喜增.微流控芯片手艺宅人命科学筹议中的操纵[J].化学开展, 2005,17(3):482-498 [4] Klank H, Kutter . 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