淺析微流控技術在生物傳感檢測領域的應用

作為一種精確控制和操控微尺度流體的技術，微流控（microfluidics）以在微納米尺度空間中對流體進行操控為主要特征，具有將生物、化學等實驗室的基本功能諸如樣品制備、反應、分離和檢測等縮微到一個幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢在于多種單元技術在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成，涉及工程學、物理學、化學、微加工和生物工程等多個領域的學科交叉。

微流控檢測芯片一般具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點。到目前為止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、紙等。選擇合適的材料對于制作工藝選擇和微流控芯片的成功應用非常重要。其中，微流控紙芯片（lab-on-paper，紙上微型實驗室）是近幾年發(fā)展的一種新型微流控芯片。具有成本更低、分析系統(tǒng)更易微型化、便攜化、生物相容性好、檢測背景低、 后處理簡單，無污染等優(yōu)勢。近年來,微流控芯片技術的發(fā)展為癌細胞檢測的研究提供了很多新的思路, 作為一個新型的無創(chuàng)檢測平臺,具有高度的可行性和可重復性。

微流控在單細胞水平上的研究進展迅速。在生命科學、醫(yī)學以及生物學等諸多領域，經(jīng)常需要從較為復雜的樣品中分選出所需要的單個細胞，以進行后續(xù)的科學研究，如癌癥研究中分選獲得單個癌細胞是后續(xù)進行單細胞測序的關鍵前提。今年，大連海事大學開發(fā)了一種在單細胞水平上全自動操控細胞的微流控芯片裝置，裝置主要由微流控芯片、差分放大器、繼電器、數(shù)據(jù)采集卡以及計算機等組成。整個分選過程由細胞經(jīng)過檢測區(qū)域產(chǎn)生的電壓脈沖信號幅值來控制。采用電滲流可以有效地操控單個細胞，當樣品中細胞濃度足夠低時，可以實現(xiàn)100%的有效分選。完成一次分選大約需要3s，系統(tǒng)單個檢測區(qū)的最大分選通量約為20個每分鐘，后續(xù)可以通過設置多個檢測區(qū)來提高分選通量。有效克服了現(xiàn)有單細胞操控技術存在的各種不足之處。

表面增強拉曼光譜( surface enhancedRaman spectroscopy ,SERS) 與微流控芯片相結合用于光流體檢測可以實現(xiàn)快速、無損傷檢測分析。表面增強拉曼光譜是一種新興的、具有超 高靈敏度無標記指紋的高級痕量分析技術，穩(wěn)定、重現(xiàn)、高強度、高靈敏度的 SERS 信號是獲取有效生物傳感信息的首要條件。大量研究表明，可控性金屬納米粒子聚集體或納米顆粒陣列對產(chǎn)生上述SERS信號至關重要。在臨床免疫檢測過程中，SERS 生物傳感器不僅能快速檢測單一生物蛋白標志物，而且基于固態(tài) SERS 活性基底的生物傳感器可以實現(xiàn)敏感性、特異性生物標記物的同時檢測。便攜式智能化的微流體 SERS 生物傳感器檢測設備將在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測以及食品安全等領域得到廣泛應用。

另外，微流控芯片還可用于構建腫瘤微環(huán)境。該芯片具有3層復合式結構: 底層為微通道貫穿的細胞培養(yǎng)池陣列，頂層是開放式培養(yǎng)池，二者之間為一層納米孔薄膜。納米孔薄膜具有“透氣阻水”的特性，既起到止流閥作用實現(xiàn)液體自動分配，又允許跨膜擴散，模擬血管內皮層擴散屏障結構。結合移液工作站，開放式微流控芯片可以完成細胞換液、藥物處理和細胞活力測試等一系列分析步驟。

隨著微流控技術和光學傳感技術的發(fā)展，一系列被用于細胞遷移和外泌體檢測的微流控芯片也相繼被開發(fā)，局域表面等離子體共振傳感技術由于其無需標記、可便攜等優(yōu)點在生物傳感檢測領域有廣泛的應用。