技術(shù)解析：微流控芯片為什么這樣強(qiáng)大？

　　從1990年Manz等人首次提出了微型全分析系統(tǒng)的概念，到2003年Forbes雜志將微流控技術(shù)評(píng)為影響人類未來(lái)15件最重要的發(fā)明之一，微流控技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其中的微流控芯片技術(shù)作為當(dāng)前分析科學(xué)的重要發(fā)展前沿，在生物、化學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用，成為科學(xué)家手中流動(dòng)的“ 芯”。

　　微流控芯片技術(shù)

　　微流控，是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。通過(guò)在微尺度下流體的控制，在20世紀(jì)80年代，微流控技術(shù)開(kāi)始興起，并在DNA芯片，芯片實(shí)驗(yàn)室，微進(jìn)樣技術(shù)，微熱力學(xué)技術(shù)等方向得到了發(fā)展。

　　微流控分析芯片最初在美國(guó)被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”(lab-on-a-chip)，在歐洲被稱為“微整合分析芯片”(micrototal analytical systems)，它是微流控技術(shù)(Microfluidics)實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)，可以把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動(dòng)完成分析全過(guò)程。有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少，且反應(yīng)速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優(yōu)點(diǎn)的微流控芯片，在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著的巨大潛力，近年來(lái)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

　　微流控芯片的原理

　　微流控芯片采用類似半導(dǎo)體的微機(jī)電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)與分析過(guò)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(jī)械泵。電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動(dòng)芯片中緩沖液的流動(dòng)，形成微流路，于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導(dǎo)熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測(cè)系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測(cè)手段已經(jīng)被用在微流控芯片中，對(duì)樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和高通量分析。微流控芯片的最大特點(diǎn)是在一個(gè)芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復(fù)合體系的微全分析系統(tǒng)?微型反應(yīng)器是芯片實(shí)驗(yàn)室中常用的用于生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如毛細(xì)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(dòng)的毛細(xì)管電泳(Capillary Electrophoresis ， CE) 比較容易在微流控芯片上實(shí)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(xì)管通道，在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動(dòng)，完成對(duì)樣品的檢測(cè)分析，如果在芯片上構(gòu)建毛細(xì)管陣列，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對(duì)數(shù)百種樣品的平行分析。自1992 年微流控芯片CE 首次報(bào)道以來(lái)，進(jìn)展很快?首臺(tái)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。

　　微流控芯片的發(fā)展

　　微全分析系統(tǒng)的概念是在1990年首次由瑞士Ciba2Geigy公司的Manz與Widmer提出的，當(dāng)時(shí)主要強(qiáng)調(diào)了分析系統(tǒng)的“微”與“全”，及微管道網(wǎng)絡(luò)的MEMS加工方法，而并未明確其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管電泳與流動(dòng)。微型全分析系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展前沿。微流控分析系統(tǒng)從以毛細(xì)管電泳分離為核心分析技術(shù)發(fā)展到液液萃取、過(guò)濾、無(wú)膜擴(kuò)散等多種分離手段。其中多相層流分離微流控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有多種分離功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道采用多相層流技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片上對(duì)試樣的無(wú)膜過(guò)濾、無(wú)膜滲析和萃取分離。同時(shí)也有采用微加工有膜微滲析器完成質(zhì)譜分析前試樣前處理操作的報(bào)道。流控分析系統(tǒng)從以電滲流為主要液流驅(qū)動(dòng)手段發(fā)展到流體動(dòng)力、氣壓、重力、離心力、剪切力等多種手段。

　　直至今日，各國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域做出更加顯著地成績(jī)。微流控技術(shù)作為當(dāng)前分析科學(xué)的重要發(fā)展前沿，在研究與應(yīng)用方面都取得了飛速的發(fā)展。

　　微流控芯片的特點(diǎn)

　　芯片集成的單元部件越來(lái)越多，且集成的規(guī)模也歸來(lái)越大，使著微流控芯片有著強(qiáng)大的集成性。同時(shí)可以 大量平行處理樣品，具有高通量的特點(diǎn)，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析樣品所需要的試劑量?jī)H幾微升至幾十個(gè)微升，被分析的物質(zhì)的體積甚至在納升級(jí)或皮升級(jí)。

　　廉價(jià)，安全，因此，微流控分析系統(tǒng)在微型化。集成化合便攜化方面的優(yōu)勢(shì)為其在生物醫(yī)學(xué)研究、藥物合成篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、衛(wèi)生檢疫、司法鑒定、生物試劑的檢測(cè)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極為廣闊的前景。

　　微流控芯片的前景

　　微流控分析芯片最初只是作為納米技術(shù)革命的一個(gè)補(bǔ)充，在經(jīng)歷了大肆宣傳及冷落的不同時(shí)期后，最終卻實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。微流控分析芯片最初在美國(guó)被稱為“ 芯片實(shí)驗(yàn)室”(lab-on-a-chip)，在歐洲被稱為“微整合分析芯片”(micrototal analytical systems)，隨著材料科學(xué)、微納米加工技術(shù)和微電子學(xué)所取得的突破性進(jìn)展，微流控芯片也得到了迅速發(fā)展，但還是遠(yuǎn)不及“摩爾定律”所預(yù)測(cè)的半導(dǎo)體發(fā)展速度。

　　原則上，微流控芯片可以用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等其他重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物分析是熱點(diǎn)。目前其應(yīng)用主要集中在核酸分離和定量、DNA 測(cè)序、基因突變和基因差異表達(dá)分析等。另外，蛋白質(zhì)的篩分在微流控芯片中也已有報(bào)道針對(duì)病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態(tài)型?基因變異的位點(diǎn)及特征等，設(shè)計(jì)和選擇合適的核酸探針，經(jīng)PCR 擴(kuò)增后檢測(cè)，就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗藥、致病、同源性、多態(tài)型、變異和表達(dá)等信息，為疾病的診斷和治療提供一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

　　國(guó)際上公認(rèn)的PCR 產(chǎn)物檢測(cè)共有五種方法，按其靈敏度高低順序排列為：毛細(xì)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(xì)管電泳為該芯片主體，無(wú)需進(jìn)行探針雜交，受檢樣品的信號(hào)獲得率接近百分之百。微流控芯片CE 可檢測(cè)15~7500bp范圍的PCR 產(chǎn)物，分辨率可達(dá)20bp ，樣品微量化使擴(kuò)散進(jìn)一步減少，分離效果極好，每孔可供多個(gè)不同的PCR 產(chǎn)物作同時(shí)分析。

　　我國(guó)在微流控分析方面的研究雖然起步較國(guó)外晚了四到五年，但在多個(gè)相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域都具有足夠的積累與優(yōu)勢(shì)，我國(guó)具有世界上最大的微流控芯片市場(chǎng)，用中國(guó)的芯片產(chǎn)品占領(lǐng)這一市場(chǎng)是我國(guó)科學(xué)家責(zé)無(wú)旁貸的使命。3月26日多名微流控領(lǐng)域的專家也將參加在上海舉辦的2015(第三屆)先進(jìn)體外診斷技術(shù)峰會(huì)，共同對(duì)微流控的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，對(duì)我國(guó)的微流控芯片研究領(lǐng)域進(jìn)行更多的解讀。相信經(jīng)過(guò)不懈的努力，微流控芯片蓬勃的發(fā)展在我國(guó)很快將會(huì)到來(lái)。