淺析微流控技術(shù)在生物傳感檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

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

微流控檢測(cè)芯片一般具有樣品消耗少、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)于制作工藝選擇和微流控芯片的成功應(yīng)用非常重要。其中，微流控紙芯片（lab-on-paper，紙上微型實(shí)驗(yàn)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(cè)背景低、 后處理簡(jiǎn)單，無污染等優(yōu)勢(shì)。近年來,微流控芯片技術(shù)的發(fā)展為癌細(xì)胞檢測(cè)的研究提供了很多新的思路, 作為一個(gè)新型的無創(chuàng)檢測(cè)平臺(tái),具有高度的可行性和可重復(fù)性。

微流控在單細(xì)胞水平上的研究進(jìn)展迅速。在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物學(xué)等諸多領(lǐng)域，經(jīng)常需要從較為復(fù)雜的樣品中分選出所需要的單個(gè)細(xì)胞，以進(jìn)行后續(xù)的科學(xué)研究，如癌癥研究中分選獲得單個(gè)癌細(xì)胞是后續(xù)進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序的關(guān)鍵前提。今年，大連海事大學(xué)開發(fā)了一種在單細(xì)胞水平上全自動(dòng)操控細(xì)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(jì)算機(jī)等組成。整個(gè)分選過程由細(xì)胞經(jīng)過檢測(cè)區(qū)域產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)幅值來控制。采用電滲流可以有效地操控單個(gè)細(xì)胞，當(dāng)樣品中細(xì)胞濃度足夠低時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)100%的有效分選。完成一次分選大約需要3s，系統(tǒng)單個(gè)檢測(cè)區(qū)的最大分選通量約為20個(gè)每分鐘，后續(xù)可以通過設(shè)置多個(gè)檢測(cè)區(qū)來提高分選通量。有效克服了現(xiàn)有單細(xì)胞操控技術(shù)存在的各種不足之處。

表面增強(qiáng)拉曼光譜( surface enhancedRaman spectroscopy ,SERS) 與微流控芯片相結(jié)合用于光流體檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)快速、無損傷檢測(cè)分析。表面增強(qiáng)拉曼光譜是一種新興的、具有超 高靈敏度無標(biāo)記指紋的高級(jí)痕量分析技術(shù)，穩(wěn)定、重現(xiàn)、高強(qiáng)度、高靈敏度的 SERS 信號(hào)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(duì)產(chǎn)生上述SERS信號(hào)至關(guān)重要。在臨床免疫檢測(cè)過程中，SERS 生物傳感器不僅能快速檢測(cè)單一生物蛋白標(biāo)志物，而且基于固態(tài) SERS 活性基底的生物傳感器可以實(shí)現(xiàn)敏感性、特異性生物標(biāo)記物的同時(shí)檢測(cè)。便攜式智能化的微流體 SERS 生物傳感器檢測(cè)設(shè)備將在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及食品安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

另外，微流控芯片還可用于構(gòu)建腫瘤微環(huán)境。該芯片具有3層復(fù)合式結(jié)構(gòu): 底層為微通道貫穿的細(xì)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(shí)現(xiàn)液體自動(dòng)分配，又允許跨膜擴(kuò)散，模擬血管內(nèi)皮層擴(kuò)散屏障結(jié)構(gòu)。結(jié)合移液工作站，開放式微流控芯片可以完成細(xì)胞換液、藥物處理和細(xì)胞活力測(cè)試等一系列分析步驟。

隨著微流控技術(shù)和光學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展，一系列被用于細(xì)胞遷移和外泌體檢測(cè)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(shù)由于其無需標(biāo)記、可便攜等優(yōu)點(diǎn)在生物傳感檢測(cè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。