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1、微流控芯片技术及其在检验医学中的应用摘 要 芯片实验室技术作为基因组学和蛋白质组学研究的一种新的技术平台,受到广泛重视。其中微流控芯片可用于基因组学和蛋白质组学的各个领域,包括基因表达分析、基因多态型分析和临床诊断等,可以完成样品的分离、反应和分析等所有步骤。基于毛细管电泳的微流控芯片技术可以更快地完成PCR产物分离。本文介绍微流控芯片技术的原理、研究进展及其在检验医学中应用。 经典实验室的规模正在缩小,最近出现的新名词“芯片实验室”(Lab-on-a-Chip)、“芯片工厂”(Factory-on-Chip)等证明这种发展趋势。芯片实验室是系统集成和微刻技术发展的结晶,是可
2、以完成生物化学分析的微型芯片。最完整形式的芯片实验室可以完成样品的预处理、分离、稀释、混合、化学反应、检测以及产品的提取等所有步骤,因此也称为微完全分析系统(microTotalAnalyticalSystem,μTAS)。它不仅可以提高分析速度、增加分析效率、大大降低样品和试剂消耗,而且可使分析过程自动化、排除人为干扰、防止污染以及完成自动高效的重复实验。目前已进入检验医学的微流控芯片(Mi2crofluidicchip)是此项技术的代表。1 技术原理微型芯片根据其结构和工作机理可分为两大类:微阵列芯片(Microarraychip)和微流控芯片。微流控芯片采用类似半导体的微
3、机电加工技术在芯片上构建微流路系统,将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上。加载生物样品和反应液后,采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动,形成微流路,于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中,对样品进行快速、准确和高通量分析1。微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统。微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构,如毛细管电泳、聚合酶链反应2、酶反应和DNA杂交反应的微型反应器等3
4、。其中电压驱动的毛细管电泳(CapillaryElectrophoresis,CE)比较容易在微流控芯片上实现,因而成为其中发展最快的技术4。它是在芯片上蚀刻毛细管通道,在电渗流的作用下样品液在通道中泳动,完成对样品的检测分析。如果在芯片上构建毛细管阵列,可在数分钟内完成对数百种样品的平行分析(其模式示意图见图1)。自1992年微流控芯片CE首次报道以来,进展很快。首台商品仪器是微流控芯片CE(生化分析仪,Aglient),可提供用于核酸及蛋白质分析的微流控芯片产品。图1 微流控芯片技术原理示意图微流控芯片CE技术在反应体系中引入先进有效的内对照系统,与目的基因在一个体系中同步
5、扩增,一方面可监测PCR污染,另一方面通过LowMarker、UpperMarker定位及相对定量,可实现准确的微量化全定量检测。同时,有高效的防污染系统,可排除假阳性。微流控芯片仪可自动识别PCR产物或蛋白质的不同大小的片段,并以数字化的形式直接给出有关基因的PCR产物或蛋白质的大小和浓度等有关信息。这些图形非常直观,结果易于判断。目前该技术已用于DNA、RNA、蛋白质和细胞等生物学检测。2 应用原则上,微流控芯片可以用于各个分析领域,如生物医学、新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应用领域,其中生物分析是热点。目前其应用主
6、要集中在核酸分离和定量、DNA测序、基因突变和基因差异表达分析等。另外,蛋白质的筛分在微流控芯片中也已有报道5。针对病原微生物基因组的特征性片段、染色体DNA的序列多态型、基因变异的位点及特征等,设计和选择合适的核酸探针,经PCR扩增后检测,就能获得病原微生物种属、亚型、毒力、抗药、致病、同源性、多态型、变异和表达等信息,为疾病的诊断和治疗提供一个很好的切入点。国际上公认的PCR产物检测共有五种方法,按其灵敏度高低顺序排列为:毛细管电泳法、固相杂交法、液相杂交法、高压液相杂交法和凝胶电泳法(不推荐临床)。微流控芯片CE以毛细管电泳为该芯片主体,无需进行探针杂交,受检样品的信号获
7、得率接近百分之百。微流控芯片CE可检测15～7500bp范围的PCR产物,分辨率可达20bp,样品微量化使扩散进一步减少,分离效果极好,每孔可供多个不同的PCR产物作同时分析。该技术临床应用已多有报道。(1)应用多重逆转录PCR(multiplexReverseTranscription-PolymeraseChainReaction,mRT-PCR)通过多组特定引物设计,经mRT-PCR扩增后,其产物应用微流控芯片CE检测,同时可检测数种上呼吸道病毒,并可准确鉴定病毒的种类、型和亚型,其中
