1.技術原理       

       微型芯片根據其結構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在芯片上構建微流路系統,將實驗與分析過程轉載到由彼此聯系的路徑和液相小室組成的芯片結構上。加載生物樣品和反應液后,采用微機械泵、電水力泵和電滲流等方法驅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多種的反應。激光誘導熒光、電化學和化學等多種檢測系統以及與質譜等分析手段結合的很多檢測手段已經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目眾多的復合體系的微全分析系統。微型反應器是芯片實驗室中常用的用于生物化學反應的結構,如毛細管電泳、聚合酶鏈反應、酶反應和DNA雜交反應的微型反應器等。其中電壓驅動的毛細管電泳(CapillaryElectrophoresis,CE)比較容易在微流控芯片上實現,因而成為其中發展最快的技術。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。如果在芯片上構建毛細管陣列,可在數分鐘內完成對數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分析的微流控芯片產品微流控芯片CE技術在反應體系中引入先進有效的內對照系統,與目的基因在一個體系中同步擴增,一方面可監測PCR污染,另一方面通過LowMarker、UpperMarker定位及相對定量,可實現準確的微量化全定量檢測。同時,有高效的防污染系統,可排除假陽性。微流控芯片儀可自動識別PCR產物或蛋白質的不同大小的片段,并以數字化的形式直接給出有關基因的PCR產物或蛋白質的大小和濃度等有關信息。目前該技術已用于DNA、RNA、蛋白質和細胞等生物學檢測。

2.微流控芯片的應用

       原則上,微流控芯片可以用于各個分析領域,如生物醫學、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗、環境監測、刑事科學、軍事科學和航天科學等其他重要應用領域,其中生物分析是熱點。目前其應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,蛋白質的篩分在微流控芯片中也已有報道。

       國際上公認的PCR產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產物作同時分析。

       該技術臨床應用已多有報道。(1)應用多重逆轉錄PCR(multiplexReverseTranscription-PolymeraseChainReaction,mRT-PCR)通過多組特定引物設計,經mRT-PCR擴增后,其產物應用微流控芯片CE檢測,同時可檢測數種上呼吸道病毒,并可準確鑒定病毒的種類、型和亞型,其中可包括SARS病毒。(2)核酸擴增檢測技術可縮短病毒“窗口期”,而應用微流控芯片,可同時檢測多種病原微生物核酸的PCR產物如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,是在傳統生物技術和疾病診斷等方面的創新和飛躍。微流控芯片的發展極大地擴寬了生物芯片的內涵,是當前微全分析系統發展的重點,它有很多優點。

       微流控芯片主要以分析化學和分析生物化學為基礎,以微機電加工技術為依托,以微管道網絡為結構特征,各工作單元既能獨立完成單一反應或單元操作,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的反應系統。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、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,及時提供臨床信息,也為將來長期發展新增的項目提供基礎。

現代儀器  作者：岳紅 張正