在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
①臨床血細(xì)胞分析 近來Ayliffe等人研制出了第一臺(tái)阻抗計(jì)數(shù)、光譜分類的細(xì)胞芯片分析儀。他們將微流路和微電極組合到芯片上，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的分類和計(jì)數(shù)。爾后許多研究者對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，使這一技術(shù)日趨完美，不僅可以進(jìn)行細(xì)胞的分類和計(jì)數(shù)而且還實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白的定量測(cè)定。值得一提的是Gaward等研制了一種2cm×3cm大小的細(xì)胞分析芯片。他們利用阻抗法和光學(xué)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的分析和顆粒大小的測(cè)定。近來美國(guó)華盛頓大學(xué)與美國(guó)Backman公司合作研究出了可供檢測(cè)血細(xì)胞的一次性塑料芯片，大大減少了檢測(cè)成本和儀器的體積。
②核酸分析 微流控芯片實(shí)驗(yàn)室一開始就在DNA領(lǐng)域顯示其極強(qiáng)的功能，涉及到了遺傳學(xué)診斷，法醫(yī)學(xué)基因分型和測(cè)序等方面內(nèi)容。Tezuka等在芯片上構(gòu)建一種整體集成的納米柱型陣列結(jié)構(gòu)，這種納米柱直徑200～500nm，高5mm，類似于排列在一起的多個(gè)梳子，用于研究DNA的電泳特征及其分離，已分離了T4 DNA和165.5kbp的lambda標(biāo)樣；Lee等制成集成有微混合器和DNA純化裝置的一次性微流控芯片系統(tǒng)，用于DNA的樣品制備，在微通道里放置陰離子交換樹脂，得到了單一頭發(fā)絲中的線粒體DNA的電泳圖；Hofg?rtner等利用微流控芯片快速分析腦脊液樣品中的DNA，診斷帶狀皰疹病毒性腦炎所需時(shí)間只有腦脊液樣品普通凝膠電泳的百分之一；本文作者最近用自研的微流控芯片系統(tǒng)分析了腫瘤細(xì)胞基因甲基化測(cè)定的PCR樣品，與普通凝膠電泳相比其檢測(cè)靈敏度提高了1024倍，其分析時(shí)間縮短了100倍以上。
③蛋白質(zhì)分析 Duffy等利用CD盤式塑料陣列芯片采用離心的方式進(jìn)行了堿性磷酸酶分析，每個(gè)樣品檢測(cè)只需3ml試劑，幾分鐘內(nèi)可分析幾十個(gè)樣品。瑞典的GYROS公司已生產(chǎn)出類似的產(chǎn)品并進(jìn)行了肌球蛋白、IgG、IgA分析。近來Burke和Regnier在芯片上利用電泳輔助微分析系統(tǒng)（Electrophoretically mediated microanalysis，EMMA）進(jìn)行了β-半乳糖苷酶的分析測(cè)定。以Ramsey實(shí)驗(yàn)小組為代表的很多研究者利用芯片進(jìn)行了蛋白質(zhì)和肽的二維電泳分離與檢測(cè)，為蛋白質(zhì)的組學(xué)研究提供了一種快捷、便利的分析工具。
④藥物分析 Hatch等利用“快速擴(kuò)散免疫分析”方法在芯片上進(jìn)行了全血Phenyton（一種抗癲癇藥）濃度測(cè)定，測(cè)定時(shí)無需去紅細(xì)胞，檢測(cè)時(shí)間不足20秒。Chiem等人利用競(jìng)爭(zhēng)免疫分析法檢測(cè)血清樣品中的治療哮喘用的藥物茶堿的濃度，辦法是將含有未標(biāo)記的藥物樣品和已知數(shù)量的熒光標(biāo)記的藥物及藥物抗體混合，未標(biāo)記的藥物與標(biāo)記的藥物競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致標(biāo)記的藥物與抗體復(fù)合物的峰信號(hào)降低，而單個(gè)的標(biāo)記藥物峰信號(hào)增加，以LIF為檢測(cè)器，在稀釋的血清中藥物檢測(cè)限為1.25mg/L，分離時(shí)間不超過50秒。Sathuluri等人利用細(xì)胞芯片進(jìn)行抗腫瘤藥物的高通量篩選。在芯片實(shí)驗(yàn)室上進(jìn)行手性藥物分離及藥物相互作用研究等方面的文獻(xiàn)報(bào)道較多。
⑤小分子分析 Argaint等研制了一種含有PO2、PCO2和pH傳感器的硅芯片用于血?dú)夥治?。整個(gè)芯片的尺寸僅有6mm×22mm大小。用聚丙烯酰胺和聚硅氯烷聚合層分別作為內(nèi)部電解質(zhì)腔和氣體滲透膜。用集成電路的制作工藝將整個(gè)傳感器件集成在硅片上。因流路通道也被直接集成在硅芯片上，所以減少了樣品和試劑的用量，且分析精度又能滿足臨床檢測(cè)的需要。這種產(chǎn)品適宜批量生產(chǎn)。
Koutny等利用免疫芯片電泳不需要進(jìn)行預(yù)濃縮，即可在臨床感興趣的范圍（10～600mg/L）內(nèi)對(duì)血清皮質(zhì)醇進(jìn)行芯片電泳免疫分析。Rodriguez等利用同步循環(huán)模式，通過CZE和MEKC兩種方式分離人尿中的苯丙胺，甲基苯丙胺，3，4-亞甲基二氧甲基苯丙胺及b-苯基乙胺的衍生產(chǎn)物，檢測(cè)限為10mg/L，遠(yuǎn)高于目前實(shí)際應(yīng)用的要求。
當(dāng)然，其應(yīng)用不僅僅局限在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在化學(xué)有機(jī)合成和分析化學(xué)等方面亦得到時(shí)了廣泛的應(yīng)用，在此不再細(xì)述。
芯片實(shí)驗(yàn)室發(fā)展趨勢(shì)
芯片實(shí)驗(yàn)室由于它的發(fā)展涉及很多學(xué)科，又由于研究者的專長(zhǎng)和興趣不同，研究的側(cè)重點(diǎn)不同，因此重現(xiàn)出發(fā)展的多樣性，總的發(fā)展朝著更加完善的方向發(fā)展。
1．芯片制造由手工為主的微機(jī)電（MEMS）技術(shù)生產(chǎn)逐漸朝自動(dòng)化、數(shù)控化的亞紫外激光直接刻蝕微通道方向發(fā)展。
2．將泵、閥、管道、反應(yīng)器等集于一體，呈高度集成化。最具代表性的工作是美國(guó)Quake研究小組將三千多個(gè)微閥、一千個(gè)微反應(yīng)器和一千多條微通道集成在尺寸僅有幾十個(gè)平方毫米面積的硅質(zhì)材料上，完成了液體在內(nèi)部的定向流動(dòng)與分配。
3．用于芯片實(shí)驗(yàn)室制造的材料呈現(xiàn)出多樣式，朝著越來越便宜的方向發(fā)展。由最初的價(jià)格昂貴的玻璃和硅片為材料，發(fā)展成為以便宜的聚合物材料，如聚二甲基硅烷（PDMS）、聚甲基異丁烯酸（PMMA）和聚碳酸酯（PC）等。因而，為將來的一次性使用提供了基礎(chǔ)。
4．由于不同樣品分離檢測(cè)的需要，分離通道表面的改性呈現(xiàn)出多樣性發(fā)展。用磺化、硝化、胺化及把帶雙官能團(tuán)的化合物耦合到表面的胺基上的辦法加以修飾可獲得各種分子組分的表面；用EDA、PDA、CAB、SPH及有機(jī)硅烷和無機(jī)氧化物等加以修飾微通道表面，以改善吸附特性，改變疏水性和控制電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)以提高分離效率。
5．芯片實(shí)驗(yàn)室的驅(qū)動(dòng)源從以電滲流發(fā)展到流體動(dòng)力、氣壓、重力、離心力、剪切力等多種手段。一種利用離心力的芯片已經(jīng)商品化，被稱為L(zhǎng)ab-on-a-CD，因?yàn)樵撔酒螤钕笠粋€(gè)小CD盤。
6． 芯片實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)技術(shù)朝著多元化發(fā)展。目前最常用的檢測(cè)器是熒光和電化學(xué)檢測(cè)器。隨著固態(tài)電子器件的發(fā)展，一些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法也進(jìn)入這一領(lǐng)域，如采用半導(dǎo)體微波源的MIPAES檢測(cè)、不需標(biāo)記的SPR檢測(cè)、快速阻抗譜（FIS）檢測(cè)、NIR時(shí)間分辨熒光檢測(cè)。
7．應(yīng)用方向：芯片實(shí)驗(yàn)室已從主要應(yīng)用的生命科學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到其它領(lǐng)域。例如用于DNA、RNA、蛋白質(zhì)等方向分析檢測(cè)，還用于化學(xué)和生物試劑、環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)；監(jiān)控微秒級(jí)的化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；用于許多化學(xué)合成反應(yīng)的研究，藥物和化學(xué)合成與篩選等。因此，芯片實(shí)驗(yàn)室不僅為分析化學(xué)家，也為合成化學(xué)家特別是藥物合成化學(xué)家打開了通往無限美好明天的大門。
8．芯片實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)業(yè)化發(fā)展越來越明顯、越快速。由于它的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研究越來越專和精，使整體技術(shù)發(fā)展速度加快，再加之它朝著檢測(cè)功能化方面發(fā)展，其應(yīng)用前景越來越廣。因此，產(chǎn)業(yè)化前景看好，有可能成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。
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審核編輯 黃宇