微流控芯片光学检测技术在细胞研究中的应用与研究进展

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1、微流控芯片光学检测技术在细胞研究中的应用与研究进展微流控分析芯片是通过微加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件，像集成电路一样集成在芯片材料上的微全分析系统。微流控分析技术已经成为重要的化学及生物分析手段，其分析的优越性（材料及试剂的低耗、原位分析、快速实时等）在细胞、分子水平检测得以应用和展现，尤其在细胞研究及应用方面，由于微流道尺度与细胞良好的相容性，可以在休外实现对体内细胞环境的高度模拟，所以在&命科学中的细胞培养、细胞操纵、试样处理及细胞检测方面有诸多应用，成为细胞及单个细胞实

2、时检测和研究的新平台。许多微流控芯片研究致力于设计创造多功能微系统整合细胞检测中的分析步骤，从而在微系统上实现细胞特别是单细胞生理、病理及药理等方面的研究。微流控芯片自身的设计和制作技术、芯片上细胞研究模型和方法的建立离不开检测方法和技术的探索与应用。目前，微流控芯片上细胞研究中的检测技术主要采用光学检测和电化学检测。光学检测灵敏度高、设备简单且易于与微流控芯片相结合，更有潜力应用于活细胞实时检测。微流控芯片上光学检测方法依原理可分为荧光检测、化学发光和生物发光检测、拉曼光谱检测、折射率检测、热透镜光谱检测和表面等离了激元共振检测

3、等。本文对近年来微流控芯片上细胞研究中的光学检测方法与技术进行综述。1荧光(Fluorescence)检测荧光化合物在一定的激发波长下可以释放特定的荧光，而其它物质对特定荧光物质的信号交叉干扰很小，故而利用荧光光谱可以灵敏地检测荧光物质。荧光检测灵敏度高且易与微流控芯片相结合，从而使其成为微流控技术中最主要的光学检测方法之一。荧光检测初时主要通过对细胞成像显示检测芯片上细胞的&长和活动状况，后来逐渐应用到细胞膜和细胞组分的研究中。Yager研究组在微流控芯片上对大肠杆菌进行溶膜、提取细胞中B■半乳糖昔酶，并用荧光标记底物试卤灵■半

4、乳毗喃糖昔(RBG)检测B■半乳糖昔酶含量，最大可以提取到165nmol/L的价gal,应用不同的流速设置还可以用于分析其它细胞组分。Farinas等在微流控芯片上用荧光检测分析人T淋巴细胞的离子通道活动情况，用毛细管从微培养板中吸取测试样本与THP-1细胞混合并进一步与微流道中的电势敏感荧光染料混合，利用膜去极化和超极化时阴离子染料DIBAC4和阳离子染料Syto62的荧光比率变化测量单细胞膜电势，相对于膜片钳技术而言，是一种简单的细胞离子通道活力检测的方法。激光诱导荧光(LIF)可以精确控制激发光的参数，其敏感性更高，检出限一

5、般在10A-13〜10八一9mol/L之间，因而用LIF进行微流控上细胞及其裂解物的检测非常普遍。微流控芯片上LIF检测有非共聚焦和共聚焦检测系统两种。激光共聚焦技术可以有效减小样品照射体积，从而减小散射光对灵敏度的影响，因而共聚焦检测系统的信噪比(SNR)较非共聚焦系统高。李永新等用LIF检测微流控芯片上电泳分离的四种病原微生物DNA,可检测出lxlOA2cfu/mL的病原菌。Hellmich等用共聚焦LIF■微流控芯片系统(见图1)检测单细胞的裂解组分。系统在可见光区可检测1x10八一13mol/L的荧光素;在紫外区内利用Tr

6、p、Tyr和Phe3种氨基酸的LIF特性完成对蛋白质的分离和无荧光标记检测。他们后续通过减小入射激光的功率和校正共聚焦的针孔将蛋口质和氨基酸的检岀限降低了2个数量级;再通过在PDMS中整合炭黑颗粒和涂覆基于聚氧乙烯的三嵌段共聚物F108层芯片表面修饰进一步提高了微流道中蛋白质的分离效率和LIF检测的敏感度，对氨基酸的检出限达到2・5xlOA-8mol/L,并在芯片上实现对单细胞中低浓度蛋白质的无标记检测。许多研究者在微流控荧光检测系统的小型化方面做了有益尝试，将光源和其它微设备组件整合，发展出各种小型化系统用于细胞及生物分子分析。

7、Joo等将一个发光二极管(LED)、一个固态光电倍增管(SSPM)^聚电解质凝胶电极(PEGS)与玻璃微流控芯片组装在体积15cmxl0cmxl0cm的微系统中，这个便携式的微流控细胞计数器可以简单而快速地用电阻抗和荧光两种检测方式区分细胞和微粒子。Kuhn等设计出小型化的完全芯片整合的电光学陷阱，其激发能水平比常规光学陷阱低5个数量级，并运用荧光检测完成大肠杆菌DNA的光漂白动力学研究。微流控荧光检测灵敏性高，影响其自身灵敏度的因素主要来自瑞利和拉曼散射，同时芯片本身背景荧光的去除是提高检测精确度的重要因素，此外检测的小型化将更

8、便于对细胞生理生化反应的检测。特异的荧光探针如量子点及免疫方法的结合，微流控表面图案的设计可以省去对分析物的纯化步骤，为芯片上实时、高灵敏度检测提供思路。2化学发光检测和生物发光检测化学发光(Chemiluminescence,CL)或是生物发光(