醫學檢測微流控芯片應用范文

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檢驗醫學是社會主義現代化建設所需要的、具備基礎醫學、臨床醫學、檢驗醫學等方面的基本理論、基本知識和基本技能，知識面寬、能力強，素質高，能在各級醫院、血站及防疫等部門從事醫學檢驗及醫學類實驗室工作的檢驗醫師。

醫學檢驗是對病人的血液、體液、分泌物或脫落細胞等標本，進行化驗檢查，以獲得病原、病理變化及臟器功能狀態等資料。醫學檢驗分為臨床檢驗與醫學實驗技術兩方面。臨床檢驗是臨床醫生確診的必要手段之一，而醫學實驗技術主要側重于實驗操作方面，為研究所、實驗室輸送實驗師（技師）。

1微流控芯片概述

微流控芯片(Microfluidic)，又稱芯片實驗室(LabonaChip)或者微全分析系統(MicroTotalAnalysisSystems，μ-TAS)[1]，就是通過分析化學、微機電加工(MEMS)、計算機、電子學、材料科學及生物學、醫學的交叉實現從試樣處理到檢測的整體微型化、自動化、集成化與便攜化[2]。這樣通常需要在一個實驗室中進行的實驗可以在一塊芯片系統上進行，大大提高了實驗速度，減少了所需的樣本劑量，節省了昂貴的化學試劑，降低了化學污染。它充分體現了當今分析設備微型化、集成化與便攜化的發展趨勢。目前，微流控芯片主要應用于單核苷酸多樣性檢測、基因診斷、蛋白質分析等前沿技術領域。

微流控分析芯片是通過微細加工技術將微管道、泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件、窗口和連接器等功能元器件，像集成電路一樣集成在芯片材料上[3]。制作方法在傳統的光刻和刻蝕的基礎上發展模塑法、熱壓法、激光切蝕法、LIGA技術和軟光刻方法[4]。

2微流控芯片在醫學檢測中的應用

2.1離子檢測

離子分析在環境科學、生命科學以及食品工業等許多領域中都有重要的用途。臨床醫學中也少不了對各種離子的檢測，如血液分析、培養液監測。經過近年的發展，微流控芯片技術在離子分析領域取得了很多研究成果。

金屬離子雖然在體內含量很低，但卻對生命活動起著舉足輕重的影響。如K+、Na+、Ca+等調控著重要的離子通道，Fe+、Zn+等是金屬酶的重要配體。等速電泳(ITP)是利用離子的有效電泳淌度的不同，對離子化合物進行定性和定量分析以及樣品的濃縮。Prest等在硅膠芯片上利用ITP技術，通過電導檢測實現了對K+、Na+的分離分析。熒光檢測是微流控芯片中應用最廣泛的檢測手段，金屬離子通常不含有熒光基團，需要經過衍生后才能進行熒光檢測分析。Yang等根據三磷酸腺昔(ATP)與鈣吸收反應的關系(ATP調控Ca+通道的開、關)，在微流控芯片上研究了ATP濃度改變時Ca+濃度的變化。先用自身無熒光的熒光試劑Fluro3對細胞進行標記，Fluro3在胞內酶的作用下與Ca+結合，激光掃描被標記的細胞即可獲得Fluro3-Ca+發出的熒光信號。當具有梯度濃度的ATP溶液流過貼壁細胞，引起胞內鈣離子濃度的變化，用共焦激光掃描顯微鏡可以檢測熒光信號的變化。Wheeler等在微流控芯片上進行了細胞內的Ca+離子流量實驗，將衍生試劑、刺激劑相繼灌注到微室中，細胞在受到刺激后釋放出被熒光標記的Ca+，然后進行激光誘導熒光(LIF)檢測。

一氧化氮(NO)作為一種重要的生物信使分子，在血流調節、信號傳導、免疫防御等多種生理及病理過程中發揮重要的作用。檢測NO濃度的對疾病診斷具有重要意義。NO很容易被氧化成NO2ˉ、NO3ˉ，對NO含量的檢測多通過檢測NO2ˉ、NO3ˉ來獲得。Miyado等在微流控電泳芯片上檢測了血清和唾液中的NO2ˉ、NO3ˉ，并在8s內完成了兩種離子的分離。

2.2代謝物的檢測

代謝是生命的基本特征。從有生命的單細胞到復雜的人體，都與周圍環境不斷地進行物質和能量交換，這一交換過程稱為代謝或物質代謝。對代謝物的分析，能夠幫助人們更好的理解病變過程以及機體內物質的代謝途徑。微流控芯片技術為靈活快捷地分析代謝物提供了新的方法，一些代謝物的分離、檢測已經在微流控芯片上得到實現。

體液中葡萄糖濃度與多種疾病相關，是代謝物檢測的重要指標。檢測葡萄糖濃度的典型方法就是經葡萄糖氧化酶把葡萄糖氧化為具有電活性的葡萄糖酸和過氧化氫(H202)，然后通過電化學方法進行檢測葡萄糖酸或者通過化學發光法檢測過氧化氫。即：

葡萄糖+氧氣葡萄糖氧化酶H202+葡萄搪酸

這一過程可以方便地在微流控芯片上得到實現。在芯片上，含有葡萄糖的樣品和葡萄糖氧化酶混合，葡萄糖被葡萄糖氧化酶催化氧化，產生葡萄糖酸和H202。電中性的葡萄糖和過氧化氫與其他帶電荷的物質分離開，然后分別在下游的檢測器上檢測。Kim等在PDMS微流控芯片的通道中制作了一個馬蹄形微柵(如圖1)，微柵上涂有葡萄糖氧化酶(GOX)和HRC。樣品流經通道時可以充分與GOX接觸，樣品中的葡萄糖被催化氧化，同時生成的H202也與HRC混合，在通道末端進行光度檢測。該方法測得的葡萄糖濃度具有較寬的線性范圍。Srinivasan等采用離散進樣的方式測定了血清、血漿、尿液、唾液等液體中的葡萄糖含量。微液滴以20Hz的頻率進人微通道，液滴之間用硅油隔開。當液滴經過檢測器時，可以進行快速的檢測。

圖l帶有馬蹄形徽柵的反應器示意圖

尿酸(uricacid，UA)是嘌呤代謝的最終產物，主要有細胞代謝的嘌呤類化合物以及食品中的嘌呤經酶的作用分解而來。體液中UA含量的變化，可以充分反映出人體內代謝、免疫等機能的狀況。Lv等通過化學發光法在微流控芯片上實現了對血清中尿素含量的檢測。其做法是將HRC、魯米諾和尿酸酶采用溶膠-凝膠的方法分別固定在芯片通道內。把含有尿酸的人血清樣品注人芯片，經過尿酸酶轉化，產生的過氧化氫在HRP的催化下發生魯米諾反應，進行發光檢測。對尿素濃度檢測的線性范圍達1-100mg/L，測量限為0.lmg/L。

臨床的檢測中，往往需要對樣品檢測多種物質的含量。只有通過對這些指標的綜合分析，才能對人的健康狀況做出有效評判和對病情做出準確的診斷。微流控芯片中的多通道技術可以很好地滿足這一需求。wang等構建了一種同時檢測葡萄糖、尿素和抗壞血酸的微流控芯片實驗室。實驗時，首先讓樣品溶液中的葡萄糖與固定有葡萄糖氧化酶的微通道中發生衍生化反應，生成具有電活性的葡萄糖酸，接下來葡萄糖酸與尿酸、抗壞血酸在另一獨立的微通道中進行電泳分離，最后末端的絲網印刷碳電極分別對它們進行電化學響應，從而實現的對尿酸、抗壞血酸的直接電化學檢測和葡萄糖的間接電化學檢測。

3結論與展望

隨著現代醫學技術的發展，醫學檢測中要求化驗和檢驗的儀器具有更高靈敏度、更短檢測時間、更小體積(便攜化)。而微流控芯片技術所具有的優點能夠很好的滿足這些要求。目前，微流控芯片主要應用于基因測序、蛋白質圖譜分析等高、精、尖領域，但隨著微流控芯片技術的不斷成熟和制作成本的不斷降低，必將大規模地進人到常規醫學檢測領域，取代那些笨重而且操作復雜的化驗、檢驗設備，進而促進醫療水平的進步。

微流控芯片在這一領域的應用對細胞培養反應器的研究也具有重要意義。例如，在生物人工肝支持系統中，必須及時掌握肝細胞成長的情況。傳統的做法是按一定時間間隔對肝細胞的培養液取樣，利用已有的醫學化驗和檢驗手段進行分析。這一做法存在滯后性和不連續性的缺點，同時消耗樣品過多。目前，我們課題組正嘗試借助微流控芯片技術，實現對培養液中離子和代謝物濃度的在線(on-line)檢測，實時監測肝細胞的生長狀態。