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被應用到生物化學技術的各個方面，該技術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，并在基礎醫學、藥學和臨床醫學等領域呈現出廣泛的應用前景。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 微流控芯片技術概述
1．1 微流控芯片
微型全分析系統又稱為芯片實驗室，是一個跨學科的新領域，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、醫學的交叉實現化學分析系統，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的主要組成部分，是以常規毛細管電泳原理為基礎，通過微細加工技術將微管道、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，實現樣品進樣、分離、反應乃至在片檢測的微全分析系統。它以分析化學為基礎，以微機電加工技術為依托，以微管道網絡微結構為特征，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，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。微芯片分析系統的出現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的普及創造了條件。近年來，微流控芯片技術在以下幾方面得到了發展：微流控分析系統從以毛細管電泳分離為核心分析技術發展到液－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；微流控分析系統從單道檢測發展到多重平行檢測；微全分析系統從成分分析工具發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；微流控分析系統具有多種檢測手段，如電化學、質譜、原子光譜、光聲光譜、化學發光等。由此可見，微流控芯片在生物化學分析中具有顯著優勢，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、環境監測、臨床監測、空間生物學、現場分析、生物戰爭試劑檢測、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(microelectro－mechanical systems，MEMS)為基礎的“微型全分析系統”(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移到便攜式的分析設備中。目前，芯片式是發展的重點，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，實現所謂的“芯片實驗室”(lab-on a-chip，IDC)。在芯片式μTAS中，依據芯片結構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)識別結果的檢測和分析。有關基礎研究始于20世紀80年代末，主要是在生物遺傳學領域發展起來的。而微流控分析芯片是1990年提出的μTAS主要發展方向，主要是在分析化學領域發展起來的。在目前的學術刊物中，微全分析系統(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展初期在加工技術即基本流控技術上的主要難關，正在進入一個開展更深入的基礎研究、廣泛擴大應用領域，及深度產業化的轉折時期。這種微型化、集成化的微流控芯片氨基酸和蛋白質的分離、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、食品衛生等諸多領域產生革命性的影響。
1．3．1蛋白質分析
微流控芯片的一個重要的應用領域是蛋白質。蛋白質的微流控電泳芯片，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芯片上，然后在電場作用下，樣品中的蛋白質通過芯片上的孔道分離開來，經噴霧直接進入質譜儀中進行檢測，以確定樣品中蛋白質的分子量及種類。除了蛋白質以外，對更為復雜的糖蛋白的芯片測定也已開始，用電泳技術結合蛋白酶和糖苷酶對蛋白質的處理，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上，實現了芯片上對牛血清蛋白BSA、人免疫球蛋白IgG和人轉鐵蛋白TRF及它們的混合溶液的分離檢測，結果重復性較好。王惠民等依據電荷和分子量的不同，利用微流控芯片技術，在2～3 min內檢測到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。經過多年的應用與發展，免疫分析已經成為臨床診斷、生物醫藥以及環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產生一些微小的通道來代替傳統的毛細管作為電泳分析的場所。這種開放式的通道結構使得在很短的分析長度內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，大大增加了分析通量。因此，免疫分析在微流體系統中的應用已受到廣泛的關注。
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產物，比常規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產物的分離，整個分析過程不到20 min?；旌蠘悠范郟CR產物電泳芯片分離，可同時分析10個以上PCR反應產物，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的重復三聯體序列，分離速度是常規毛細管電泳的十幾倍。此外，常規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絡結構和微米級的通道尺寸使簡化單細胞分析成為可能。微流控芯片系統用于細胞分析是近年來該技術發展的一個熱點，已引起較廣泛的關注。利用微全分析系統高度微型化、集成化和設計靈活等特點，通過巧妙設計和精密加工能夠實現細胞的培養、凋亡及檢測等功能，如細胞操作，綠色熒光蛋白的表達，基因轉染，細胞活性測試，細胞分離，細胞內鈣離子的測量，激素分泌監測以及高通量的細胞含量分析等。目前，微流控：片系統已被應用在血液流變學、單細胞操縱與計數以及單細胞胞內組分分析等多方面。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，可以操縱細胞通過或駐留在通道內的任意位置，從而使單細胞計數、篩選以及胞內組分分析等操作大大簡化。
1．3．5藥物篩選
藥物篩選是現階段新藥開發的主要途徑。高通量藥物篩選是近10年來發展起來的藥物篩選的新的技術體系。微流控芯片實驗室實現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，使之產生一種熒光產物，用芯片電泳將這一熒光產物和熒光底物或其他熒光本底分離開來。這種方法已經用于蛋白激酶．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；另一種以連續流法為基礎，它將樣品的注射過程、混合過程和功能實現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部，真正實現“lab-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、生產現場甚至家庭。在此基礎上再經過三五年，能監測自身生化指標及基因變異、食品衛生及環境狀況的便攜式“個人化實驗室”將可能成為現實。
2 微流控芯片技術與體育科技研究
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與科技服務，大大提升科學化訓練的水平密切相關。在總結了以往開展科研攻關與科技服務經驗的基礎上，針對運動員在訓練比賽中遇到具有共性和基礎性的問題，在新的一個備戰奧運會周期中，提出了10個領域的科研工作，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、優秀運動員訓練監控和機能評定的研究與應用、運動員體能恢復與營養補充的研究及應用、運動員心理咨詢和心理訓練理論與方法的研究及應用、運動創傷與醫務監督的研究與應用、中醫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略研究。其中，在運動人體科學領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開始嘗試根據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，監測血睪酮、皮質醇、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測。然而，運動員和教練員往往不愿接受靜脈取血，因此，研發微創、微量(采集末梢血)、快速的分析方法檢測生化指標，現場化、及時性地評價運動員體能具有重要的意義，相關方法的研究亟待解決。
根據微流控芯片實驗室所需樣品微量，更具高通量、高效率、短時間等優勢，中國科學院林秉承等與我們合作，利用微流控芯片技術進行了血睪酮和皮質醇聯合檢測芯片，血睪酮、皮質醇聯合檢測芯片分析儀的研發，目前該工作已完成標準品的檢測。如果能夠充分發揮微流控芯片技術的優勢，研發出不需要用常規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，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控的微創檢測方法，那么這將是一個“質”的飛躍。這個飛躍不僅僅會體現在檢測方法上，也一定會體現在提高運動員體能上。如果能將這種技術推廣應用，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、單分子光學檢測技術、基于毛細管及芯片電泳的分子相互相互作用的研究技術和基因診斷技術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展中都起到及其重要的作用，這在近代科技發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技術的發展，而相應的平臺技術的突破又能極大地推動重大科學目標的實現。北京2008年奧運會為體育科學的發展創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。微流控芯片技術在體育科學研究中的應用前景是廣闊的。
（文章來源: 微流控科技 轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）