1、微全分析系統 介紹 理論 技術本綜述內容一、歷史：1、早期(1975-1989)2、復興(1990-1993)3、增加到臨界點(1994-1997)二、小型化理論：1、早期概念 2、理論描述和模擬三、技術工藝：1、微組裝 2、結合技術3、表面修飾4、設計 5、接口與互聯 6、微波和流量調節 7、微泵四、文獻引用本領域相關的關鍵知識有：換能器、微轉錄擴增系統、高效毛細血管電泳。由于本文是第一個芯片實驗室方面的綜述，所以從理論講起。早期階段：25年前，第一個小型化分析設備是焊接在硅上的氣象色譜分析儀。復興階段：技術工藝：表面處理工藝、與檢測設備的銜接、微組裝工藝的成熟導致了微流控裝置的出現。Mic

2、ro Total Analysis Systems: LatestAchievements微全分析系統逐漸成熟，表現在逐漸增多且質量也在提高的文章，芯片實驗室需要種種化學分析設備以及相關科學和技術學科的支持。本文所采用的文章都是在2006年3月到2008年2月之間的。本文還采用了以前的綜述文章以及十年間的芯片實驗室的進展方面的圖表。通過關鍵詞搜索能在網絡中找到幾千篇相關文章，多數發表在Analytical Chemistry 和Lab on a Chip。現在關注的優秀文章集中在以下幾個方面：scaling effects（標定效果）,optofluidic technologies（可視流體

3、技術）, single molecule detection（單分子檢測）, reaction control（反應液控制）, cell chips（細胞芯片）。and diagnostics for global public health（健康診斷）定標效應、光學流體技術、單分子檢測、反應控制、細胞芯片、健康診斷。我們的目標集中在化學流體分析系統，從而忽略了其他領域比如生物傳感器、生物芯片、微量化學分析系統，另外，由于微組裝是一個很大的課題，我們選擇的方向有限，最關注的是表面修飾。實際上，這個領域跨越的學科很廣泛，很難完全把它同別的領域區別開來。現在最吸引人的進步是液滴技術的爆發性研究，從

4、而使分析儀器能處理分散的微流體。技術微組裝技術,使用液晶顯示器的無掩膜光刻技術具有一個華東的透鏡，分辨率達到2-8微米。遮蔽物也可以用金屬轉膜從低表面能量氟化乙烯丙烯產生小角膜接觸鏡并且用遠端曝光產生納米結構。對芯片實驗室來說3-D微結構用處很大。深度SU-8膜的多角背部曝光被用來集成復雜的細致的微通道。還有一種是多層的不對稱U-8微粒子組裝。三氧化二鋁的電化學陽極化能產生高比率的納米空隙。這些被用來完成大面積的納米柱組裝聚合模子。通過簡單的解鏈和溶解作用打印的蜂蠟結構也能作為模子。對于3-D微電極陣列的組裝，金屬能在微塔器上電鍍形成圖案，模子使用準分子激光器刻制的。也有人制作了很長的（8MM

5、）多層碳納米管。這個讓人印象深刻的鎖頭樣子的束是通過對在金屬催化劑的幫組下對三氧化二鋁金屬層的熱化學蒸汽處理得到的。玻璃是眾所周知的很難加工的材料。陰極的電化學排泄加工也被用來精煉3-D垂直墻的微結構。陽極的電化學排泄加工也結合空泡形成和濺射效應。也有人用多聚二甲基硅氧烷制造了可控制尺寸的水泡。苯甲酮也可以作為光敏催發劑用于小于365納米的多聚二甲基硅氧烷構造。甲基丙烯酸甲酯表面修飾是微構造的一個主要方面。生物物質：生物相容性的或者生物物質也得到了重視。有人使用微流體結合顯微鏡輔助的光聚合作用構造3-D構型的復合生物物質。微流控被用來彌散限制的離子交聯。很多組裝使用了脂質。集成和接口：微通道包

6、裹需要與第二亞基層的結合。綁定、交聯、接口。光學整合作用：成分、波導微流體控制：閥門和轉換、流體處理器基本操作：1、樣品準備，1.1相萃取 液-液相是分離萃取豐富待檢物質的優秀方法，布洛芬對映選擇性分層由三項分層液體包括樣品混合液、離子層和恢復層。使用5層液體把尿素從蛋白中分離。1.2細胞選擇：樣品的豐富具有重要作用，有人使用抗體包被磁力念珠在PCR擴增反應之前富集了登革熱病毒。在雙向電泳中使用抗體富集單核細胞增多性李司忒(氏)菌的效率大約是90%。也能使用一種叫做pixellation的方法把細胞從移源基因層分離出來，即樣品在微流體槽中被解構層微小液滴以實現線性化和高分辨率圖像。1.2細胞裂

7、解：對細胞內物質（多數是核苷酸）的檢驗需要裂解細胞。一種能連續流動電穿孔介導的細胞裂解效率大概是80%。有人使用圓柱塔狀電極產生均一的電廠提高白細胞裂解效率。有人用小于等于1MHz的電穿孔術結合梯形縮緊通路裂解了西葫蘆原生質體。激光降解是另外一種方法.有人用808納米的激光照射40秒刺激免疫磁珠來降解人類血清中的一些病原。細胞懸浮液可以用單一的汽化空泡聲納裂解。也可以用十二烷基硫酸鈉降解細胞，使用多層的微通道第一次捕捉到了單個的哺乳動物細胞。有人使用氫氧化物離子的原位電化學方法來裂解細胞。1.3DNA分離：細胞裂解之后待分析物質需要從混合液中純化出來。納米多孔陽極化硅被用來從血液中萃取和純化D

8、NA。有人把細胞捕捉和DNA螺旋混合結合起來，利用DNA優化的在4度綁定和80度洗脫來純化分離全血中的DNA。對于痕量樣品的分析，楊秀榮汪而康 董少俊有人使用微線圈陣列完成小液滴的傳遞（由磁性微粒提供）經過多步的操作實現了從10個細胞中得到了DNA的純化。對于稀有RNA樣品，有人用硅質微流控芯片實現了大樣品的高流速和低壓力有人發明了一個細胞的表達系統用于mRNA的分離以及后繼的CDNA合成和純化。除了傳統的硅基固體純化方法，也有人用納米孔鋁膜完成DNA抽提。有人用金納米顆粒修飾的羥丙纖維素溶液進行芯片原位DNA預濃縮，同時作為一種電烙術標簽提高了大約25000倍的靈敏度。蛋白準備：由于蛋白不能

9、進行擴增，所以蛋白的預濃縮就對于下游工作具有重要意義。有人使用離子通透膜實現了超過10000倍的蛋白預濃縮。等速電泳法是另外一種高效的蛋白濃縮方法。用短暫等速電泳法實現了人血清白蛋白及其免疫復合物800倍的信號增強。對于染料模式的蛋白，短暫等速電泳法通過電滲流懸浮改變領先和跟蹤的信號得到百萬倍的信號增強。用多聚二甲基硅氧烷形成的兩個回文狀電場，成鏡面對稱，在陽極實現了1000-1000000倍的陰離子富集。一系列的電泳分離，選擇、消化后進入微流控系統的數十微升樣品的準備在質譜分析之前。植入胰蛋白酶的溶膠-凝膠劑能在幾秒鐘內實現蛋白的有效和低容量消化。數字化Electrowetting-on-d

10、ieletric微流控也能作為蛋白的準備方法，有人用這個方法注射和分離：注射，把分散的樣品注射入微通道對于樣品的高效分離是常重要的。對于幾乎連續不斷的樣品注射，具有前后門0.1秒脈壓的電動模式可以被使用。納升樣品的注入可以通過整體的電滲流泵產生的無氣泡液體<2 kV with a <10 A current實現。為了減少液體分散和樣品，可以通過一個T字接頭的區帶電泳系統加強電流。一個下游擴展室能被用來控制樣品的形狀。有人證明納米孔膜能在注射入下一個通道的時候起到門的作用。對于純的機械注射來說，有人用熒光碳包被的具有滑動膜的玻璃實現可重復使用的10納升的計量。分離：各種化學成分的分離

11、一開始就處于芯片實驗室的核心位置。有人發展了一種彈性的等離子體解析質譜法，把他和一種微結構陣列相結合，具有帶通濾波，有納米級的精度，能讓粒子和微生物分子分離。手征性的色氨酸旋光對映體被一個親水穩定相結合牛血清白蛋白共軛的單壁碳納米管，親水物質的高效的毛細管膠束電動色譜色譜法能通過有活性的SDS包被的假穩態相。通過樣品捕捉、部分注射和毛細管膠束電動色譜法靈敏度提高了393倍微流控芯片的應用：1、臨床診斷1.1生物流體分析微流動血液成分分析能完成很多健康指標檢測。使用非熒光標記的微流控光學阻抗分析，能鑒定牛巴貝蟲感染的紅細胞。在輸血配比時，傳統的凝集反應可以被轉移到自動化的微流控芯片上，把使用者的

12、血液和備用血液微觀混合。另外一種便宜的基于細胞親和層析技術的CD4淋巴細胞陽性計數微流控芯片能用于判斷艾滋病的階段。也有工作者用微流控芯片檢測血清中酶對碘氧基苯甲醚能來判斷肝、腎臟疾病階段，他使用溫度控制的電泳微芯片，以乳酸鹽脫氫酶完成碘氧基苯甲醚的分離，并使用一個在線生物活性陣列來衡量結果。在藥品檢測方面，多聚膜制作的電流檢測微流控芯片上打印對嗎啡敏感的結合分子，能快速簡便的檢測嗎啡。1.2抗體基礎上的診斷ELISA模式能很方便的集成到微流控芯片上，磁珠既可以作為免疫反應的固體支持物，也可以作為快速免疫反應的微觀混合器。使用微構造床代替標準的側面轉移膜，可控制的微細管液體流進行C反應蛋白表面

13、反應免疫檢測。使用微構造膜的垂直ELISA能用來檢測壬基苯酚。心形路線的微流控芯片，應用2-D磁力操作的微滴法能實現多步ELISA。1.3核苷酸檢測CD平臺能用來從白血病病人的血液中快速高質量的提取假絲酵母的DNA，配合PCR和芯片檢測，本方法的靈敏度能達到8cfu/ml血液。經過12分鐘的樣品準備后能用微粒子的激光激活裂解細菌和病毒并且捕捉核苷酸序列。也可以用抗體包被微粒子在復雜環境中捕捉抗原。一個結合磁珠的完全集成化芯片實驗室已經開發完成，可用于糞便中沙門氏菌捕捉和PCR擴增。相似的，磁珠也能與芯片實驗室結合完成逆轉錄擴增前的登革熱病毒和腸道病毒71的RNA捕捉。超順磁性的粒子能用來完成微

14、粒子的運送，有人用這種方法完成了咽拭子中H5N1的快速分離（28分鐘內）、純化、預濃縮（500倍）和RT-PCR檢測。1.4癌癥診斷有一些生物標記物和參數能用來監控癌癥。微流控RT-PCR和CE方法結合能檢測多種骨髓瘤中免疫球蛋白重鏈的遷移和重排。蛋白表達和抗原基礎上的方法也是有效的。1.5輔助生殖技術體外受精一個最主要的難題就是單個的精子的分離，這可以通過靜水壓力產生的平行流微流控芯片實現。2核苷酸分析2.1序列分析現在PCR技術的微型化仍然是人們的興趣熱點。低千兆赫微波且具有微通道的微流控芯片，加熱升溫速度是40度每秒，而降溫效率更高達到60度每秒，作為靜電反應器的替代品，液體在環狀區域內

15、流動。不同溫度區組成環狀區域。除了用于PCR擴增，SANGER測序也可以通過環形持續流動液體微反應器完成。門外感應器，小液滴，介導性運輸，有人使用薄膜白金加熱器完成PCR片段擴增，靜止液滴熱循環的微裝置也有人報道。隨著T字形通道的深入使用，液體的體積能達到皮生（10-18）的水平，從而實現單拷貝的PCR擴增。并行的高通量的研究也是熱點，高密度彈性閥門用來形成72道并聯的450微升的RT-PCR系統。有人在此基礎上，設計了12個操作盤的平臺，每個操作盤有1176個小室，用于檢測腸道微生物群的多基因分析。高通量系統也可用于單個基因分析。PCR容易和別的分子生物學方法結合來提高靈敏度和提高序列分辨率

16、。基于芯片的PCR后連接檢測反應可以檢測低拷貝點突變。相似的，把RT-PCR和電泳條帶大小檢測整合在一起可以達到阿(托)10-18摩爾的靈敏度(<11 RNA 模版)，反應液體積為380納升。另外一個RT-PCR結合了單細胞捕獲和裂解可以用于整個轉錄子的檢測。除了序列擴增之外，微流控芯片還可以和編碼微串珠結合產生可移動雜交平臺用于多重復雜的序列分析。序列和點突變也能通過微流控芯片檢測。大的DNA片段的分離需要許多基因分析設備。循環電動混合曾經被用來做電泳后快速限制性酶切消化。使用間隔為500納米的納米柱陣，不同的千-堿基大小的DNA片段能被迅速分離，原理是螺旋半徑不同。有人使用了自組裝的

17、硅納米顆粒基質循環陣列，用于50-50000bp的DNA片段的斷口顯微攝影。不同的DNA大分子構象具有不同的表面特征。在電泳時，金納米點作為阻塞點能用來分離線性的，松弛的，超螺旋的和分子量不同的生物大分子DNA。2.2DNA的生物物理學DNA鏈的物理和化學行為對科學家具有很大的吸引力。用羥乙胺流體系統可觀察DNA-熒光染料的擴散反應動力學。用多通道平臺可找到真核細胞轉錄子的DNA結合區。使用納米孔電場可觀察單分子DNA的易位。納米流體通道也能用來DNA分子的定向和伸展，用來觀察限制擴散流體相互作用。3 蛋白質3.1分離微流控芯片技術很適合用來完成龐大的多樣化的蛋白質組學研究。Emrich等設計

18、了一種雙向分離膠電泳用來分離大腸桿菌細胞中誘導產生的蛋白質。轉鐵蛋白亞型的分辨率達到0.1PH/PI，用碳納米莖上的抗體捕捉后，硝酸纖維素微孔可以用來離子交換層析分離亞型。一個平行薄片電泳系統使用樣品和不同PH液體的混合完成不斷的流體等電聚焦。 蛋白消化能增強氨基酸序列分析。一個纖維填充的通道生物反應器被用來5秒鐘內完成序列胰蛋白酶消化，然后用電力飛行質譜進行了序列分析。高水平功能性整合彈性液壓閥能用來完成電動分離、蛋白分離、固相萃取、蛋白消化等，以上集成在一個芯片上，隨后進行質譜檢測。Huang等在微流控芯片上整合了單細胞操作、裂解、蛋白標記和分離，然后通過光學顯微鏡觀測，結果完成從單個昆蟲細胞和藍菌中高效的蛋白萃取物分子計數（大約60%）。微流控芯片也能用來完成疾病特異性的生物標記掃描，用液相色譜模式分析肺癌細胞質的蛋白萃取物。3.2晶狀體微流控芯片平臺能用來高通量處理化合物，如蛋白晶體。一個3×52序列平臺包含有納升分散池，可以用來掃描蛋白潔凈狀況。另外一個到通量系統能掃描1000中不同情況，只使用10微克底物。這個系統使用表面張力使每個納升液滴能儲存，監控晶體核的增長。3.3膜系統膜蛋白具有重要的生物作用，而且必須保持原始狀態才能用來功能分析。3.4動力學微流控模式能用來達到快速的化學平衡，從而被用來判斷重折疊蛋白不同的臨界