醫(yī)學(xué)檢測(cè)微流控芯片應(yīng)用范文

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檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)是社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)所需要的、具備基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)等方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，知識(shí)面寬、能力強(qiáng)，素質(zhì)高，能在各級(jí)醫(yī)院、血站及防疫等部門從事醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)及醫(yī)學(xué)類實(shí)驗(yàn)室工作的檢驗(yàn)醫(yī)師。

醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)是對(duì)病人的血液、體液、分泌物或脫落細(xì)胞等標(biāo)本，進(jìn)行化驗(yàn)檢查，以獲得病原、病理變化及臟器功能狀態(tài)等資料。醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)分為臨床檢驗(yàn)與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)兩方面。臨床檢驗(yàn)是臨床醫(yī)生確診的必要手段之一，而醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作方面，為研究所、實(shí)驗(yàn)室輸送實(shí)驗(yàn)師（技師）。

1微流控芯片概述

微流控芯片(Microfluidic)，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室(LabonaChip)或者微全分析系統(tǒng)(MicroTotalAnalysisSystems，μ-TAS)[1]，就是通過分析化學(xué)、微機(jī)電加工(MEMS)、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、材料科學(xué)及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的交叉實(shí)現(xiàn)從試樣處理到檢測(cè)的整體微型化、自動(dòng)化、集成化與便攜化[2]。這樣通常需要在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可以在一塊芯片系統(tǒng)上進(jìn)行，大大提高了實(shí)驗(yàn)速度，減少了所需的樣本劑量，節(jié)省了昂貴的化學(xué)試劑，降低了化學(xué)污染。它充分體現(xiàn)了當(dāng)今分析設(shè)備微型化、集成化與便攜化的發(fā)展趨勢(shì)。目前，微流控芯片主要應(yīng)用于單核苷酸多樣性檢測(cè)、基因診斷、蛋白質(zhì)分析等前沿技術(shù)領(lǐng)域。

微流控分析芯片是通過微細(xì)加工技術(shù)將微管道、泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測(cè)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(tǒng)的光刻和刻蝕的基礎(chǔ)上發(fā)展模塑法、熱壓法、激光切蝕法、LIGA技術(shù)和軟光刻方法[4]。

2微流控芯片在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1離子檢測(cè)

離子分析在環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)以及食品工業(yè)等許多領(lǐng)域中都有重要的用途。臨床醫(yī)學(xué)中也少不了對(duì)各種離子的檢測(cè)，如血液分析、培養(yǎng)液監(jiān)測(cè)。經(jīng)過近年的發(fā)展，微流控芯片技術(shù)在離子分析領(lǐng)域取得了很多研究成果。

金屬離子雖然在體內(nèi)含量很低，但卻對(duì)生命活動(dòng)起著舉足輕重的影響。如K+、Na+、Ca+等調(diào)控著重要的離子通道，F(xiàn)e+、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(duì)離子化合物進(jìn)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(shù)，通過電導(dǎo)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)K+、Na+的分離分析。熒光檢測(cè)是微流控芯片中應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)手段，金屬離子通常不含有熒光基團(tuán)，需要經(jīng)過衍生后才能進(jìn)行熒光檢測(cè)分析。Yang等根據(jù)三磷酸腺昔(ATP)與鈣吸收反應(yīng)的關(guān)系(ATP調(diào)控Ca+通道的開、關(guān))，在微流控芯片上研究了ATP濃度改變時(shí)Ca+濃度的變化。先用自身無熒光的熒光試劑Fluro3對(duì)細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，F(xiàn)luro3在胞內(nèi)酶的作用下與Ca+結(jié)合，激光掃描被標(biāo)記的細(xì)胞即可獲得Fluro3-Ca+發(fā)出的熒光信號(hào)。當(dāng)具有梯度濃度的ATP溶液流過貼壁細(xì)胞，引起胞內(nèi)鈣離子濃度的變化，用共焦激光掃描顯微鏡可以檢測(cè)熒光信號(hào)的變化。Wheeler等在微流控芯片上進(jìn)行了細(xì)胞內(nèi)的Ca+離子流量實(shí)驗(yàn)，將衍生試劑、刺激劑相繼灌注到微室中，細(xì)胞在受到刺激后釋放出被熒光標(biāo)記的Ca+，然后進(jìn)行激光誘導(dǎo)熒光(LIF)檢測(cè)。

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

2.2代謝物的檢測(cè)

代謝是生命的基本特征。從有生命的單細(xì)胞到復(fù)雜的人體，都與周圍環(huán)境不斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，這一交換過程稱為代謝或物質(zhì)代謝。對(duì)代謝物的分析，能夠幫助人們更好的理解病變過程以及機(jī)體內(nèi)物質(zhì)的代謝途徑。微流控芯片技術(shù)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(cè)已經(jīng)在微流控芯片上得到實(shí)現(xiàn)。

體液中葡萄糖濃度與多種疾病相關(guān)，是代謝物檢測(cè)的重要指標(biāo)。檢測(cè)葡萄糖濃度的典型方法就是經(jīng)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(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)葡萄糖酸或者通過化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)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(shí)現(xiàn)。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(chǎn)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(zhì)分離開，然后分別在下游的檢測(cè)器上檢測(cè)。Kim等在PDMS微流控芯片的通道中制作了一個(gè)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(jīng)通道時(shí)可以充分與GOX接觸，樣品中的葡萄糖被催化氧化，同時(shí)生成的H202也與HRC混合，在通道末端進(jìn)行光度檢測(cè)。該方法測(cè)得的葡萄糖濃度具有較寬的線性范圍。Srinivasan等采用離散進(jìn)樣的方式測(cè)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(jìn)人微通道，液滴之間用硅油隔開。當(dāng)液滴經(jīng)過檢測(cè)器時(shí)，可以進(jìn)行快速的檢測(cè)。

圖l帶有馬蹄形徽柵的反應(yīng)器示意圖

尿酸(uricacid，UA)是嘌呤代謝的最終產(chǎn)物，主要有細(xì)胞代謝的嘌呤類化合物以及食品中的嘌呤經(jīng)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(nèi)代謝、免疫等機(jī)能的狀況。Lv等通過化學(xué)發(fā)光法在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)了對(duì)血清中尿素含量的檢測(cè)。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(nèi)。把含有尿酸的人血清樣品注人芯片，經(jīng)過尿酸酶轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的過氧化氫在HRP的催化下發(fā)生魯米諾反應(yīng)，進(jìn)行發(fā)光檢測(cè)。對(duì)尿素濃度檢測(cè)的線性范圍達(dá)1-100mg/L，測(cè)量限為0.lmg/L。

臨床的檢測(cè)中，往往需要對(duì)樣品檢測(cè)多種物質(zhì)的含量。只有通過對(duì)這些指標(biāo)的綜合分析，才能對(duì)人的健康狀況做出有效評(píng)判和對(duì)病情做出準(zhǔn)確的診斷。微流控芯片中的多通道技術(shù)可以很好地滿足這一需求。wang等構(gòu)建了一種同時(shí)檢測(cè)葡萄糖、尿素和抗壞血酸的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(fā)生衍生化反應(yīng)，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(dú)立的微通道中進(jìn)行電泳分離，最后末端的絲網(wǎng)印刷碳電極分別對(duì)它們進(jìn)行電化學(xué)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)的對(duì)尿酸、抗壞血酸的直接電化學(xué)檢測(cè)和葡萄糖的間接電化學(xué)檢測(cè)。

3結(jié)論與展望

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)檢測(cè)中要求化驗(yàn)和檢驗(yàn)的儀器具有更高靈敏度、更短檢測(cè)時(shí)間、更小體積(便攜化)。而微流控芯片技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)能夠很好的滿足這些要求。目前，微流控芯片主要應(yīng)用于基因測(cè)序、蛋白質(zhì)圖譜分析等高、精、尖領(lǐng)域，但隨著微流控芯片技術(shù)的不斷成熟和制作成本的不斷降低，必將大規(guī)模地進(jìn)人到常規(guī)醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，取代那些笨重而且操作復(fù)雜的化驗(yàn)、檢驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)而促進(jìn)醫(yī)療水平的進(jìn)步。

微流控芯片在這一領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器的研究也具有重要意義。例如，在生物人工肝支持系統(tǒng)中，必須及時(shí)掌握肝細(xì)胞成長(zhǎng)的情況。傳統(tǒng)的做法是按一定時(shí)間間隔對(duì)肝細(xì)胞的培養(yǎng)液取樣，利用已有的醫(yī)學(xué)化驗(yàn)和檢驗(yàn)手段進(jìn)行分析。這一做法存在滯后性和不連續(xù)性的缺點(diǎn)，同時(shí)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(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)液中離子和代謝物濃度的在線(on-line)檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肝細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)。