微流控芯片技术研究现状和具体运用

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微流控芯片技术研究现状和具体运用

　摘　　　　要：　微流控芯片是近年发展起来的一种全新的微量分析技术,　可将样本前处理、分离

检测等多个步骤集合在一起,　使不连续的分析过程连续化、集成化、自动化、微型化,　具备分析

剂量小、速度快、成本低、易于集成开发等独特优势,　已应用于生命科学研究、环境科学、病

原微生物检测、临床体外诊断等领域。本文着重介绍了微流控芯片在各领域的应用和最新研究

进展。

　　　　 Abstract：　 Microfluidic　chip　is　a　new　microanalysis　technique　developed　in　recent　years.　It　

combines　multiple　steps　such　as　sample　preprocessing,　separation　and　detection,　which　made　the　

discontinuous　analysis　process　continuous,　integrated,　automatic,　and　miniaturized.　The　microfluidic　

chip　has　the　unique　advantages　of　low　analysis　dose,　high　reaction　speed,　low　cost　and　easy　integrated　

development,　and　has　been　applied　in　the　fields　of　life　science　research,　environmental　science,　

pathogenic　microorganism　detection,　clinical　in　vitro　diagnosis　and　so　on.　This　paper　mainly　

introduced　the　application　of　microfluidic　chip　in　various　fields　and　the　latest　research　progress.

Keyword：　 Microfluidic　chip;　Gene　chip;　Pathogen;

微流控芯片技术是通过生物学、化学、医学、电子、材料、机械等多学科交叉,　将分子生物

学、化学分析、医学等领域所涉及的样品前处理、分离及检测等过程集成到几平方厘米的芯片

上,　从而实现从样品前处理到后续分析的微型化、自动化、集成化和便携化的技术,　具有样品消

耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体积小和便于携带等优点,　已在多个领域得到应

用[1,2],　2003 “年《福布斯》杂志把这项技术评为影响人类未来 15 ”件最重要发明之一。微流控

芯片技术的特点,　一是微流体的层流效应、表面张力及毛细效应、快速热传导效应和扩散效应

等一系列特殊效应,　有利于精确流体控制和实现快速反应;二是结构复杂性,　微加工工艺具有加

工小尺寸、高密度微结构的能力,　便于实现各种操作单元的灵活组合与规模集成。因此,　样品前

处理、分离与分析、检测等实验流程得以在同一芯片上集成化和并行化,　从而达到微型化、自

动化、低消耗和高效率的目的[3,4]。生物芯片是微流控芯片的特殊类型,　　包括基因芯片 (包括

DNA 和RNA 芯片)　、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等,　是微流量为 0的点阵列型杂交芯

片。

　 1　、微流控芯片技术研究

微流控芯片的技术研究涉及芯片分类、加工、封合、微流体驱动、信号收集、分析检测等环

节。

　 1.1 　、微流控芯片的分类

根据微流控芯片反应原理的不同可分为:白金电阻芯片、压力传感芯片、电化学传感芯片、纳

米反应器芯片、微流燃料芯片等。根据微流体芯片的结构差异,　可将 PCR 芯片分成静止与动态

PCR 芯片;也可分为微池型 PCR、蛇形通道 PCR、螺旋通道 PCR、振荡式 PCR 及闭环式 PCR

等。静态 PCR 的特点在于体系不流动,　通过芯片整体升温、降温的循环来实现反应;动态 PCR

则由液体通过不同温区进行扩增。

　 1.2 　、微流控芯片的制作

微流控芯片的制作包括芯片加工、封合等环节,　主要依托于MEMS　(MicroElectro-Mechanical　

System)　加工工艺,　具有在微米级实现微量流体操控的能力。用于微流控 PCR 芯片的材料有

硅、玻璃、石英、金属有机聚合物和特殊材质的纸等,　其中,　玻璃的机械强度较高是制作 PCR

芯片的主要材料; 　高分子聚合材料聚二甲基硅氧烷 (PDMS)　　和环状烯烃共聚高分子 (COC)　因其

生物相容性好,　可塑性强、亲和力强,　成本低、制作过程简单,　多用于制作生化分析器件[5]。微

流体通道的加工工艺有软光刻和刻蚀技术、热压法、模塑法、注塑法 LIGA 　法(集合光刻、电

铸和塑铸)　和激光烧灼法等传统方法以及 3D 打印等新手段[6];微流体通道的封合可采用等离子

表面处理或深紫外照射后即时贴合、超声焊接、激光焊接、贴膜法等,　主要考虑老化及管道堵

塞等问题。

　 1.3 　、微流控芯片的检测分析

微流控芯片的驱动方法主要有电驱动、磁场法、离心力、光控法、泵推法等。由于芯片的结构

复杂,　液体驱动主要依靠外置泵和阀配合使用,　 “ ”易产生通道死体积 ,　引起交叉污染。因此,　对微

液滴操控方法的研究成为这一领域的研究重点[7]。微流控芯片的分析主要是对液滴信号进行采

集,　包括电信号的导出、扩增曲线的采集和可视化读出。

根据微流控芯片的功能不同,　其所需要的检测及分析方法也不同。如在线荧光扩增曲线检测法

包括终点检测、实时检测、荧光融解曲线分析,　提高了检测通量,　减少交叉污染的风险。微池型

PCR 芯片与荧光检测相结合,　进行数字 PCR 检测[8]。另外,　根据不同的检测目的,　还可采用电化

学方法、DNA 杂交微阵列法、质谱等在线检测方法。因微电极可以加工到芯片上,　因此电化学

检测法更适合于微流控芯片的检测;质谱法最大的优点是能提供分子空间结构信息,　因此在生物

　大分子 (如蛋白质)　的结构研究方面具有独到之处,　但因为质谱检测系统本身比芯片还要大,　所以

很难实现整个系统的微型化。

2　、微流控芯片的应用

微流控芯片从方法研究、平台构建到应用拓展,　已成为多专业交叉的强大科研技术平台,　在生命

科学领域,　蛋白质组学、杂交测序、代谢物分析、转基因产品检测、体外临床诊断、病原体检

测等方面都有广泛的应用及巨大的应用前景[9]。

微流控芯片可进行 DNA 单分子扩增及核酸定量,　实现全自动 PCR 分子诊断[10,11];微流控芯片

与质谱相结合,　可用于大规模、高通量的蛋白分析和鉴定,　在蛋白质组学研究中具有很大优势。

　 2.1 　、在生物化学分析中的应用

微流控芯片在细胞的培养、分离、组分分析及细胞操纵方面都有应用。单细胞分析对重大疾病

的早期诊断、治疗、药物筛选及细胞生理、病理过程的研究有重要意义。将光镊或超声捕获、

光穿孔、细胞裂解、电泳分离和细胞流失计数等操作单元集成到一块微流控芯片上,　并把得到

的信息汇总分析,　可以完成对单个细胞的精准操控[12,13]。北京大学和浙江大学报道了一种针

　对尿液脱落肿瘤细胞 (UETCs)　的微流控检测技术,　利用单克隆抗体CK20、CD44v6 进行膀胱癌

的准确诊断[14];还有一种基于微流控芯片的单细胞检测 EGFR 多突变的方法,　通过捕获和免疫

荧光成像单个 EGFR 表达细胞,　发现特定的EGFR 多突变和其他单细胞信息,　用于癌症靶向治疗

前的常规检测[15]。

微流控 PCR 芯片与传统的PCR 比,　传热速率快,　内部温度均匀,　反应过程易于控制,　而且反应所

需的样品和试剂量少,　大大降低成本。如振荡型巢式PCR 芯片可在 55　min 内完成对酪氨酸激酶

基因的扩增,　用于恶性黑色素瘤的诊断;微池型微流控 PCR 芯片对假体关节液中的细菌进行检测

和分型,　指导合理应用抗生素[8]。目前,　微流控 PCR 芯片在病毒检测、传染性疾病、食品和水

质检测、致病菌鉴定及微生物重要基因检测、农作物病菌、畜禽病毒的检测及农作物基因研究

方面都有广泛应用[16,17,18]。

　 2.2 　、在体外诊断中的应用

微流控芯片是临床体外诊断的有利技术平台,　因其体积小巧、操作简单,　极大地拓展了体外诊断

的应用空间[19],　提高了分析效率,　在全血和体液中血糖的测定、雌激素提纯、氨基酸代谢失调

生物标记物检测中应用较多[20] 　。在即时诊断 (POCT)　领域,　　微流控芯片技术在临床分析 (血气

分析、葡萄糖/乳酸分析等)　、DNA 　分析、蛋白质组学分析 (蛋白质和肽)　、免疫测定、毒性检

测和法医鉴定等领域具有广阔的应用前景[21,22]。目前,　已有多家公司推出了微流控 POCT 产

品,　包括血糖仪、血液分析仪等,　可支持血气、电解质、生化、血凝、心肌标志物等物质的快速

检测,　　以及难以培养、鉴定的病原微生物 (如结核杆菌、病毒、支原体等)　的现场快速检测等

[23]。

2.3 　、在病原微生物检测中的应用

利用微流控芯片可同时检测多种病原菌和病毒[24,25]。基于微流控芯片的蛋白质免疫分析方法,

利用电渗流分离和紫外分光光谱检测等技术,　使待测样本在设定好检测程序的芯片上自动完成

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摘要：

微流控芯片技术研究现状和具体运用　摘　　　　要：　微流控芯片是近年发展起来的一种全新的微量分析技术,　可将样本前处理、分离检测等多个步骤集合在一起,　使不连续的分析过程连续化、集成化、自动化、微型化,　具备分析剂量小、速度快、成本低、易于集成开发等独特优势,　已应用于生命科学研究、环境科学、病原微生物检测、临床体外诊断等领域。本文着重介绍了微流控芯片在各领域的应用和最新研究进展。　　　　Abstract：　Microfluidic　chip　is　a　new　microanalysis　technique　developed　in　recent　years.　It　combines　multi...

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