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微流控芯片技术及其在检验医学中的应用

摘要芯片实验室技术作为基因组学和蛋白质组学研

究的一种新的技术平台,受到广泛重视。其中微流控芯片可

用于基因组学和蛋白质组学的各个领域,包括基因表达分析、

基因多态型分析和临床诊断等,可以完成样品的分离、反应

和分析等所有步骤。基于毛细管电泳的微流控芯片技术可

以更快地完成PCR产物分离。本文介绍微流控芯片技术的

原理、研究进展及其在检验医学中应用。

经典实验室的规模正在缩小,最近出现的新名词“芯片

实验室”(Lab-on-a-Chip)、“芯片工厂”(Factory-on-Chip)

等证明这种发展趋势。芯片实验室是系统集成和微刻技术

发展的结晶,是可以完成生物化学分析的微型芯片。最完整

形式的芯片实验室可以完成样品的预处理、分离、稀释、

混合、化学反应、检测以及产品的提取等所有步骤,因此也

称为微完全分析系统(microTotalAnalyticalSystem,

μTAS)。它不仅可以提高分析速度、增加分析效率、大大

降低样品和试剂消耗,而且可使分析过程自动化、排除人为

干扰、防止污染以及完成自动高效的重复实验。目前已进

入检验医学的微流控芯片(Mi2crofluidicchip)是此项技术的

代表。1技术原理微型芯片根据其结构和工作机理可分

为两大类:微阵列芯片(Microarraychip)和微流控芯片。微

流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建

微流路系统,将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径

和液相小室组成的芯片结构上。加载生物样品和反应液后,

采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲

液的流动,形成微流路,于芯片上进行一种或连续多种的

反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及

与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控

芯片中,对样品进行快速、准确和高通量分析1。微流控芯

片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和

数目众多的复合体系的微全分析系统。微型反应器是芯片

实验室中常用的用于生物化学反应的结构,如毛细管电泳、

聚合酶链反应2、酶反应和DNA杂交反应的微型反应器等3。

其中电压驱动的毛细管电泳(CapillaryElectrophoresis,CE)

比较容易

在微流控芯片上实现,因而成为其中发展最快的技术4。它

是在芯片上蚀刻毛细管通道,在电渗流的作用下样品液在

通道中泳动,完成对样品的检测分析。如果在芯片上构建毛

细管阵列,可在数分钟内完成对数百种样品的平行分析

(其模式示意图见图1)。自1992年微流控芯片CE首次报

道以来,进展很快。首台商品仪器是微流控芯片CE(生化分

析仪,Aglient),可提供用于核酸及蛋白质分析的微流控芯

片产品。

图1微流控芯片技术原理示意图

微流控芯片CE技术在反应体系中引入先进有效的内对照

系统,与目的基因在一个体系中同步扩增,一方面可监测

PCR污染,另一方面通过LowMarker、UpperMarker定位及

相对定量,可实现准确的微量化全定量检测。同时,有高效

的防污染系统,可排除假阳性。微流控芯片仪可自动识别

PCR产物或蛋白质的不同大小的片段,并以数字化的形式

直接给出有关基因的PCR产物或蛋白质的大小和浓度等

有关信息。这些图形非常直观,结果易于判断。目前该技术

已用于DNA、RNA、蛋白质和细胞等生物学检测。

2应用

原则上,微流控芯片可以用于各个分析领域,如

生物医学、新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、

环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应

用领域,其中生物分析是热点。目前其应用主要集中在核酸

分离和定量、DNA测序、基因突变和基因差异表达分析等。

另外,蛋白质的筛分在微流控芯片中也已有报道5。针对

病原微生物基因组的特征性片段、染色体DNA的序列多态

型、基因变异的位点及特征等,设计和选择合适的核酸探