微流控芯片技术在生物学领域的应用

微流控芯片

微流控技术被誉为是21世纪最能改变人类的技术之一，其最主要的应用领域是和人类命运相关的生物医疗领域。

微流控芯片技术在基因检测中的应用

在基因检测方面，微流控芯片技术主要应用于核酸的扩增、分离、测序及多肽性检测。聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)广泛应用于分子生物学中，它可以对DNA分子进行体外扩增，常规的PCR过程大致需要1-2 h，需要的试剂也较多，费时费力，而微流控芯片技术用于PCR扩增及相关检测时，既能简化操作步骤，又能显著提高检测效率。1998年，Kopp等提出了连续流动式微流控PCR扩增芯片，反应溶液循环流经不同的温区完成PCR扩增反应，整个扩增反应全部在流动中完成，缩短了扩增时间，减少了反应所需的试剂。此后，很多科学家在此项研究的基础上，对连续流动式PCR技术进行了更进一步的改进，使其更加微型化。随着微流控芯片技术上的不断完善和发展，微流控分析技术能分离的DNA片段长度在逐步扩大，可完成对DNA片段的测序和遗传物质的分离、分析，并且出现了可同时进行平行分析的多通道微流控芯片。Mathies研究用3.5cm的有效分离长度，7min在单通道玻璃芯片上完成了长度为150～200bp的序列测定。后来他们又将分离通道延长到7.5cm，并改用四色荧光检测器20分钟完成500bp的序列分析，准确率达99.4%。单核苷酸多态性( single nucleotide polymorphism，SNP)就是人类基因组中物理图谱的理想遗传标记，能满足对代谢、生长和疾病相关基因的定位，基因多态性是人类各种可遗传变异中常见的现象。SNP检验方法主要是以PCR为基础，通过电泳技术分辨碱基差异造成的DNA片段的各种差异来进行基因分型。Taylor等设计了一个十字型微流控芯片对其进行分析，探讨了多种疾病与其变异存在相关性。整个分析过程由传统方法的几天时间缩短到45min。

微流控芯片技术在蛋白分析中的应用

蛋白质是生物体最基本的生物活性物质，蛋白质的分离测定可以帮助人们认识蛋白质在生物功能中的作用，对发现新的诊疗方法有着不可估量的价值。传统的蛋白质分析步骤均由手工操作进行，这些方法过于繁琐、样品消耗量大、灵敏度不高，无法满足蛋白质组学对分析系统快速、集成、高通量、高灵敏度的需求。利用微流控分析芯片系统对蛋白质样品、蛋白质的结构、功能以及蛋白质的相互作用进行分析，其分析步骤均在几平方厘米的分析芯片上进行，反应速度快，灵敏度高。另外，微流控芯片检测技术所需要的试剂及反应物的量均较少，可以大大减少试剂消耗。Hofmann等利用等电聚焦毛细管电泳芯片技术，以Cy5标记肽，对细胞色素C、核糖核酸酶A和肌红蛋白等9种蛋白质混合物进行分离检测，5 min完成整个检测过程。

微流控芯片技术在细胞分析中的应用

随着生命科学的飞速发展，对单细胞及胞内的成分和形态变化进行分析和检测已成为研究的热点。微流控芯片由于其微通道宽度(10～50μm)和生物细胞大小相当，所以生物细胞在微通道内非常容易操纵、观察和检测，以微流控芯片进行单细胞研究具有独特的优越性。Shin等构建了一种电穿孔细胞芯片，他们通过指数衰变式脉冲发生器对流体通道内的细胞进行电穿孔实验，测量了细胞电穿孔时各种参数。近几年人们还在细胞微环境的化学浓度梯度进行时间和空间控制、细胞培养等方面进行了大量研究。相信随着微流控技术的不断更新，此技术有望成为细胞研究的主要工具。

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