1.技術(shù)原理       

       微型芯片根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作機理可分為兩大類:微陣列芯片(Microarraychip)和微流控芯片。微流控芯片采用類似半導體的微機電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng),將實驗與分析過程轉(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,采用微機械泵、電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動,形成微流路,于芯片上進行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導熒光、電化學和化學等多種檢測系統(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,對樣品進行快速、準確和高通量分析。微流控芯片的最大特點是在一個芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復合體系的微全分析系統(tǒng)。微型反應(yīng)器是芯片實驗室中常用的用于生物化學反應(yīng)的結(jié)構(gòu),如毛細管電泳、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)動的毛細管電泳(CapillaryElectrophoresis,CE)比較容易在微流控芯片上實現(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管通道,在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動,完成對樣品的檢測分析。如果在芯片上構(gòu)建毛細管陣列,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首次報道以來,進展很快。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)體系中引入先進有效的內(nèi)對照系統(tǒng),與目的基因在一個體系中同步擴增,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,可實現(xiàn)準確的微量化全定量檢測。同時,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)和細胞等生物學檢測。

2.微流控芯片的應(yīng)用

       原則上,微流控芯片可以用于各個分析領(lǐng)域,如生物醫(yī)學、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學、軍事科學和航天科學等其他重要應(yīng)用領(lǐng)域,其中生物分析是熱點。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分析等。另外,蛋白質(zhì)的篩分在微流控芯片中也已有報道。

       國際上公認的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以毛細管電泳為該芯片主體,無需進行探針雜交,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20bp,樣品微量化使擴散進一步減少,分離效果極好,每孔可供多個不同的PCR產(chǎn)物作同時分析。

       該技術(shù)臨床應(yīng)用已多有報道。(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,經(jīng)mRT-PCR擴增后,其產(chǎn)物應(yīng)用微流控芯片CE檢測,同時可檢測數(shù)種上呼吸道病毒,并可準確鑒定病毒的種類、型和亞型,其中可包括SARS病毒。(2)核酸擴增檢測技術(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。對獻血員進行更為有效的篩選,減少甚至避免輸血傳播疾病的發(fā)生。(3)HBVDNA的定量測定能準確反映出HBV的復制水平、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

       微型芯片的主要特點是高通量、微型化和自動化,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)展極大地擴寬了生物芯片的內(nèi)涵,是當前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點,它有很多優(yōu)點。

       微流控芯片主要以分析化學和分析生物化學為基礎(chǔ),以微機電加工技術(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雜的工作,使整個芯片成為一個動態(tài)的反應(yīng)系統(tǒng)。探針和靶分子的作用是主動式的,因而大大增強敏感性,提高反應(yīng)速率。微流控芯片把整個實驗室的功能,包括樣品處理、化學反應(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。每個芯片可用于多個病人而不是一個病人一塊芯片,每塊芯片至少可重復使用20次,因此比微陣列芯片更為經(jīng)濟耐用。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),及時提供臨床信息,也為將來長期發(fā)展新增的項目提供基礎(chǔ)。

現(xiàn)代儀器  作者：岳紅 張正