微流控芯片與體育科技研究
摘要：近年來，微流控芯片實驗室已經(jīng)被應用到生物化學技術(shù)的各個方面，該技術(shù)有可能為后基因組時代的基因組學研究提供一個更為強大的平臺，并在基礎醫(yī)學、藥學和臨床醫(yī)學等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣泛的應用前景。如何應用這種高通量、高效率、低消耗的芯片技術(shù)為體育科研服務是一個值得思考和探究的問題，就此進行了探討。
1 微流控芯片技術(shù)概述
1．1 微流控芯片
微型全分析系統(tǒng)又稱為芯片實驗室，是一個跨學科的新領(lǐng)域，是通過分析化學、微機電加工、計算機、電子學、材料科學及生物學、醫(yī)學的交叉實現(xiàn)化學分析系統(tǒng)，從試樣處理到檢測的整體微型化、自動化、集成化與便攜化。微流控分析芯片是微型全分析系統(tǒng)的主要組成部分，是以常規(guī)毛細管電泳原理為基礎，通過微細加工技術(shù)將微管道、微泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件、窗口和連接器等功能元器件像集成電路一樣，使它們集成在芯片材料(基片)上，實現(xiàn)樣品進樣、分離、反應乃至在片檢測的微全分析系統(tǒng)。它以分析化學為基礎，以微機電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡微結(jié)構(gòu)為特征，以生命科學為目前主要應用對象。
微流控芯片的早期形式是芯片毛細管電泳。根據(jù)芯片材料的不同可分為硅芯片、玻璃芯片、石英芯片、高聚物芯片和復合材料芯片；根據(jù)功能的不同可分為高分辨分離芯片、微采樣芯片、微檢測芯片、細胞分析芯片、前處理芯片、化學合成芯片、多功能集成化芯片。每一個芯片實驗室都將被賦予一定的功能，因此形成功能芯片系統(tǒng)，大體包括三個部分：一是芯片；二是信號的檢測收集裝置；三是包含有實現(xiàn)芯片功能化方法和材料的試劑盒。所涉及到的部件包括：和進樣及樣品處理有關(guān)的透析、膜、固相萃取、凈化；用于流體控制的微閥(包括主動閥和被動閥)、微泵(包括機械泵和非機械泵)；微混合器、微反應器、微通道和微檢測器等。其制作工藝包括芯片的基體加工及表面加工、鍵合和粘接等。
微流控芯片把整個生化驗室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等集成在微芯片上，且可多次使用。因此具有廣泛的適用性。微芯片分析系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅可使珍貴的生物試樣與試劑消耗大大降低到微升甚至納升級，而且使分析速度成百倍地提高，費用也相應下降，從而為分析測試技術(shù)的普及創(chuàng)造了條件。近年來，微流控芯片技術(shù)在以下幾方面得到了發(fā)展：微流控分析系統(tǒng)從以毛細管電泳分離為核心分析技術(shù)發(fā)展到液－液萃取、過濾、無膜擴散等多種分離手段，具有廣泛的應用前景；微流控分析系統(tǒng)從單道檢測發(fā)展到多重平行檢測；微全分析系統(tǒng)從成分分析工具發(fā)展到包括在線檢測的微型化學反應與合成手段；在新藥物篩選中顯示出強大的生命力；微流控分析系統(tǒng)具有多種檢測手段，如電化學、質(zhì)譜、原子光譜、光聲光譜、化學發(fā)光等。由此可見，微流控芯片在生物化學分析中具有顯著優(yōu)勢，這種生化檢測可以提高分析速度，增加分析效率，減少樣本和試劑的消耗，排除人為干擾，防止污染以及完成自動高效的重復實驗。分析系統(tǒng)的微型化可以使野外實驗室變得很簡單，芯片實驗室的潛在應用范圍包括高效篩選、環(huán)境監(jiān)測、臨床監(jiān)測、空間生物學、現(xiàn)場分析、生物戰(zhàn)爭試劑檢測、高效DNA檢測等。
1．2 微流控芯片與基因芯片
20世界90年代初由瑞士的Manz和Widmer提出了以微機電加工技術(shù)(microelectro－mechanical systems，MEMS)為基礎的“微型全分析系統(tǒng)”(micrototal analysis systems，μTAS)。μTAS可以分為芯片式與非芯片式兩大類，其目的是通過化學分析設備的微型化與集成化，最大限度的把分析實驗室的供能轉(zhuǎn)移到便攜式的分析設備中。目前，芯片式是發(fā)展的重點，即最大限度地把分析實驗室的供能集成到方寸大小的芯片上，實現(xiàn)所謂的“芯片實驗室”(lab-on a-chip，IDC)。在芯片式μTAS中，依據(jù)芯片結(jié)構(gòu)及工作原理又可以分為微陣列芯片和微流控芯片。微陣列芯片目前的應用對象是DNA分析，也稱DNA芯片、基因芯片或生物芯片。生物芯片技術(shù)的實施包含三個基本元素：1)生物探針分子的獲得；2)探針分子的表面固定和對樣品的識別；3)識別結(jié)果的檢測和分析。有關(guān)基礎研究始于20世紀80年代末，主要是在生物遺傳學領(lǐng)域發(fā)展起來的。而微流控分析芯片是1990年提出的μTAS主要發(fā)展方向，主要是在分析化學領(lǐng)域發(fā)展起來的。在目前的學術(shù)刊物中，微全分析系統(tǒng)(μTAS)和微流控芯片(microfluidic chip)指的是同一個概念。其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、檢測等集成在可多次使用的微芯片上。因此較微陣列芯片應有更廣泛的適用性及應用前景。
1．3微流控芯片的應用
目前微流控芯片已突破其發(fā)展初期在加工技術(shù)即基本流控技術(shù)上的主要難關(guān)，正在進入一個開展更深入的基礎研究、廣泛擴大應用領(lǐng)域，及深度產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)折時期。這種微型化、集成化的微流控芯片氨基酸和蛋白質(zhì)的分離、免疫分析、DNA分析和測序、生物細胞研究等方面顯示出巨大的潛力。這必將對疾病診斷和治療、新藥開發(fā)、食品衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。
1．3．1蛋白質(zhì)分析
微流控芯片的一個重要的應用領(lǐng)域是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的微流控電泳芯片，通過在玻璃片或硅片上設置各種微泵、微閥、微電泳以及微流路，可將生化實驗室的分析功能濃縮固化在蛋白質(zhì)芯片上，然后在電場作用下，樣品中的蛋白質(zhì)通過芯片上的孔道分離開來，經(jīng)噴霧直接進入質(zhì)譜儀中進行檢測，以確定樣品中蛋白質(zhì)的分子量及種類。除了蛋白質(zhì)以外，對更為復雜的糖蛋白的芯片測定也已開始，用電泳技術(shù)結(jié)合蛋白酶和糖苷酶對蛋白質(zhì)的處理，在芯片實驗室進行糖蛋白中糖鏈分析的方法已建立。徐良基等利用微流控芯片技術(shù)制作石英玻璃材料的微流控芯片，在自行研制的紫外可見吸收檢測系統(tǒng)上，實現(xiàn)了芯片上對牛血清蛋白BSA、人免疫球蛋白IgG和人轉(zhuǎn)鐵蛋白TRF及它們的混合溶液的分離檢測，結(jié)果重復性較好。王惠民等依據(jù)電荷和分子量的不同，利用微流控芯片技術(shù)，在2～3 min內(nèi)檢測到38例尿蛋白陽性患者中，溢出性蛋白尿3例、選擇性蛋白尿9例、非選擇性蛋白尿26例，8例健康對照未檢出蛋白峰。
1．3．2免疫分析
免疫分析是利用抗原和抗體之間的特異性反應來選擇性識別和測定作為抗體或抗原的待測物。經(jīng)過多年的應用與發(fā)展，免疫分析已經(jīng)成為臨床診斷、生物醫(yī)藥以及環(huán)境化學研究中一種有力的分析手段。降低樣品和試劑的消耗量，提高分析速度是免疫分析的重要目標。在微流控芯片上進行免疫分析是對毛細管電泳免疫分析技術(shù)的重大革新。這種微片裝置是在微型的玻璃片或者硅芯片上采用化學刻蝕等技術(shù)產(chǎn)生一些微小的通道來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的毛細管作為電泳分析的場所。這種開放式的通道結(jié)構(gòu)使得在很短的分析長度內(nèi)就可以滿足分析需求，可以大大縮短整個分析所需的時間，并可根據(jù)實際需要設計合適的芯片。芯片上可以很容易地刻蝕上很密集的分析通道的陣列，并可高精度地復制生產(chǎn)，大大增加了分析通量。因此，免疫分析在微流體系統(tǒng)中的應用已受到廣泛的關(guān)注。
1．3．3 DNA分析及測序
微流控芯片可用于迅速分離DNA限制性片段PCR產(chǎn)物，比常規(guī)的毛細管電泳分離要快得多。把β珠蛋白的PCR擴增反應縮微集成到硅芯片上，目的基因進行15 min的擴增，然后僅用2 min就可完成PCR產(chǎn)物的分離，整個分析過程不到20 min?；旌蠘悠范郟CR產(chǎn)物電泳芯片分離，可同時分析10個以上PCR反應產(chǎn)物，尤其適用于基因作圖分析，以及遺傳性疾病診斷。在微流控芯片上觀察熒光標記DNA的重復三聯(lián)體序列，分離速度是常規(guī)毛細管電泳的十幾倍。此外，常規(guī)DNA測序需要制備微升級的樣品，試劑消耗量大。將納升級的樣品制備系統(tǒng)縮微到芯片上進行測序，可在分離前除去多余的引物、鹽分、核苷酸等，所用測序體積是Sanger雙脫氧鏈終止法的1／300，測序成本明顯降低，而且可進行固相測序。將微流控芯片四色標記法用于DNA測序，可在540 s分離150個堿基，準確率在97％以上。用高分子材料制作的微流控－微陣列芯片，可以用于核酸雜交并對其進行實時檢測。而且微流控－微陣列體系還可以檢測雜交反應的動力學特性。
1．3．4細胞培養(yǎng)與檢測
單細胞分析對重大疾病的早期診斷、治療和藥物篩選以及細胞生理、病理過程的研究有重要意義。微流控分析芯片的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和微米級的通道尺寸使簡化單細胞分析成為可能。微流控芯片系統(tǒng)用于細胞分析是近年來該技術(shù)發(fā)展的一個熱點，已引起較廣泛的關(guān)注。利用微全分析系統(tǒng)高度微型化、集成化和設計靈活等特點，通過巧妙設計和精密加工能夠?qū)崿F(xiàn)細胞的培養(yǎng)、凋亡及檢測等功能，如細胞操作，綠色熒光蛋白的表達，基因轉(zhuǎn)染，細胞活性測試，細胞分離，細胞內(nèi)鈣離子的測量，激素分泌監(jiān)測以及高通量的細胞含量分析等。目前，微流控：片系統(tǒng)已被應用在血液流變學、單細胞操縱與計數(shù)以及單細胞胞內(nèi)組分分析等多方面。在微流控芯片通道中，人們利用氣壓、液壓和電壓，或利用介電電泳、光學陷阱、行波介電電泳以及磁場等技術(shù)，可以操縱細胞通過或駐留在通道內(nèi)的任意位置，從而使單細胞計數(shù)、篩選以及胞內(nèi)組分分析等操作大大簡化。
1．3．5藥物篩選
藥物篩選是現(xiàn)階段新藥開發(fā)的主要途徑。高通量藥物篩選是近10年來發(fā)展起來的藥物篩選的新的技術(shù)體系。微流控芯片實驗室實現(xiàn)藥物篩選的基本原理是以酶標為例，即令酶和一種熒光標記的底物反應，使之產(chǎn)生一種熒光產(chǎn)物，用芯片電泳將這一熒光產(chǎn)物和熒光底物或其他熒光本底分離開來。這種方法已經(jīng)用于蛋白激酶．磷酸酶、蛋白酶、細胞色素和磷酸單脂酶等，芯片上的分離只需幾秒，通常變異系數(shù)小于10％。用于藥物篩選微流控芯片裝置有兩大類，一類是一次性使用芯片，它采用類似于噴墨打印機的微散射法，把樣品和試劑注入芯片的一組通道；另一種以連續(xù)流法為基礎，它將樣品的注射過程、混合過程和功能實現(xiàn)過程在芯片上集成于一體。
微流控裝置的用途廣泛，但目前流行的微流控裝置最大的不足之處是它們需要大量輔助的外部設備，體積龐大且成本很高，這就極大地限制了它的應用?？朔@些困難的一個途徑就是將所需試劑裝配并存儲于微流控體系內(nèi)部，真正實現(xiàn)“l(fā)ab-on-a-chip”。有學者預計，最晚到2008年，以微流控芯片為核心的微分析系統(tǒng)將取代當前化學分析實驗室的很多設備，使化學分析進入病房、生產(chǎn)現(xiàn)場甚至家庭。在此基礎上再經(jīng)過三五年，能監(jiān)測自身生化指標及基因變異、食品衛(wèi)生及環(huán)境狀況的便攜式“個人化實驗室”將可能成為現(xiàn)實。
2 微流控芯片技術(shù)與體育科技研究
中國自1984年重返奧運大家庭以來，在奧運會上取得了喜人的成績。這些成績的取得與科研人員參與到運動隊中開展科研攻關(guān)與科技服務，大大提升科學化訓練的水平密切相關(guān)。在總結(jié)了以往開展科研攻關(guān)與科技服務經(jīng)驗的基礎上，針對運動員在訓練比賽中遇到具有共性和基礎性的問題，在新的一個備戰(zhàn)奧運會周期中，提出了10個領(lǐng)域的科研工作，即運動員科學選材、運動訓練科學化理論與方法的研究與應用、優(yōu)秀運動員訓練監(jiān)控和機能評定的研究與應用、運動員體能恢復與營養(yǎng)補充的研究及應用、運動員心理咨詢和心理訓練理論與方法的研究及應用、運動創(chuàng)傷與醫(yī)務監(jiān)督的研究與應用、中醫(yī)藥防治運動性疲勞及傷病的研究與應用、反興奮劑的研究與應用、體育信息與服務的研究與應用、競技體育綜合管理及戰(zhàn)略研究。其中，在運動人體科學領(lǐng)域涉及的主要的熱點問題有，運動損傷的防治、運動性低血睪酮、運動性低血色素(運動性貧血)、運動性免疫機能低下等的發(fā)生機理的研究，以及興奮劑檢測方法的研究，等等。
隨著教練員、運動員文化素質(zhì)的提高和運動訓練基地科研條件的改善，借助科技手段輔助訓練日益被教練員、運動員所接受，甚至有些教練員已經(jīng)開始嘗試根據(jù)科研人員的科學檢測報告制訂訓練計劃。事實上，對訓練進行科學監(jiān)控已成為當今運動訓練(科學)的重要組成部分。目前，常用輔助教練員開展訓練、評價運動員體能的指標有，血睪酮、皮質(zhì)醇、血乳酸、血紅蛋白、紅細胞谷胱甘肽和活性氧、血清肌酸激酶、血尿素、IgN、IgA、IgG等，其中，監(jiān)測血睪酮、皮質(zhì)醇、紅細胞谷胱甘肽和活性氧等通常須要采集受試者的靜脈血，用分離出的血清與紅細胞才能完成監(jiān)測。然而，運動員和教練員往往不愿接受靜脈取血，因此，研發(fā)微創(chuàng)、微量(采集末梢血)、快速的分析方法檢測生化指標，現(xiàn)場化、及時性地評價運動員體能具有重要的意義，相關(guān)方法的研究亟待解決。
根據(jù)微流控芯片實驗室所需樣品微量，更具高通量、高效率、短時間等優(yōu)勢，中國科學院林秉承等與我們合作，利用微流控芯片技術(shù)進行了血睪酮和皮質(zhì)醇聯(lián)合檢測芯片，血睪酮、皮質(zhì)醇聯(lián)合檢測芯片分析儀的研發(fā)，目前該工作已完成標準品的檢測。如果能夠充分發(fā)揮微流控芯片技術(shù)的優(yōu)勢，研發(fā)出不需要用常規(guī)的靜脈取血分離血清檢測的方法，而是以末梢微量全血為直接的檢測樣品的芯片檢測系統(tǒng)，建立通過微量的末梢血就可以快速、準確地完成多項指標的同時檢測的運動員體能監(jiān)控的微創(chuàng)檢測方法，那么這將是一個“質(zhì)”的飛躍。這個飛躍不僅僅會體現(xiàn)在檢測方法上，也一定會體現(xiàn)在提高運動員體能上。如果能將這種技術(shù)推廣應用，必將受到體育科技人員、乃至運動員和教練員的普遍歡迎，具有廣闊的市場前景。
另外，利用微流控芯片電泳同時檢測細胞活性氧類和谷胱甘肽的技術(shù)、單分子光學檢測技術(shù)、基于毛細管及芯片電泳的分子相互相互作用的研究技術(shù)和基因診斷技術(shù)引等皆有可能作為研究方法，應用到體育科研中。
科學儀器在人類的整個科技的發(fā)展中都起到及其重要的作用，這在近代科技發(fā)展中反映得尤為突出。重大科學目標會極大地刺激適合其需求的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，而相應的平臺技術(shù)的突破又能極大地推動重大科學目標的實現(xiàn)。北京2008年奧運會為體育科學的發(fā)展創(chuàng)造了千載難逢的契機，同時競技體育也在不斷地給我們提出新的課題。微流控芯片技術(shù)在體育科學研究中的應用前景是廣闊的。
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