1、 微流控在医学检测上的运用 巴德年 1002 杨梦朝 3100101222 摘要： 本文主要就作者在自己学习微流控中查到的一些资料进行整理以及自己学习的感想。主要阐述了微流控的发展以及其在生物医学上的巨大应用，最后举例说明了微流控的实例及发展前景。 关键词： 微流控，血液检测， HIV 检测，检测技术手段 微流控的发展现状 一，微流控的简介和目前发展趋势 微流控芯片（ lab on chips）是一项将生物，化学等领域所涉及的样品制备，生化反应，分离，检测过程浓缩到一张 几平方厘米的芯片上，对结果进行监测分析的技术。微流控芯片具有体积小，灵敏度高，反应速度快等普通检测技术不具备的优势，所以在现
2、代的检测技术中，微流控正越来越受到生物医学界的重视。 图 1 微流控大规模集成芯片【 1】 就目前微流控的发展来看，微流控芯片已经开始从微米级想纳米级发展。这样就其分析速度较一般的芯片快百万倍甚至亿倍以上。可以说微流控的小型化，大规模集成化将导致未来生物化学试验速度比现在有着成千上万倍速度的增长。而且，由于目前微流控芯片的功能已经开始从单一化向多功能高集成化发展。微 流控能够完成的实验也越来越广泛。可以说以后整个实验的不走都可以在一张芯片上完成，这样就使得实验室也形成了微型化。可以想象，如果整个实验过程可以在一张微芯片上完成那个，那么实验的速度和量将会得到极大的升高。从而也可以使分子化的细胞化
3、的饰实验得到更快速的发展。 二，微流控芯片的制作材料发展 由于生物实验的需要，微流控材料已经从传统的硅，玻璃，石英向与生物相容的天然材料或者高分子聚合物发展【 2】。晶体硅具有散热好、强度大、价格适中、纯度高和耐腐蚀等优点。但是由于其和生物的相容性不如高分子材料，而且其在微 型化的进一步发展中受到了限制，所以目前的材料已经开始一步步向高分子发展，如藻酸钙，聚甲基丙烯酸甲酯等【 2】。 图二藻酸钙芯片【 3】 三：微流控的基本检测方法 光学检测技术比较成熟 ,也是最 早和目前普遍用于芯片实验室的检测方法。光学检测主要包括荧光检测和吸光 度检测等。除了光学检测以外，电化学检测和质谱检测也是目前常被
4、使用的技术。除上述几种检测方法外 ,近年来还有许多其他特殊检测方法在微芯片中运用 ,如分子发射光谱、原子发射光谱、拉曼光谱以及核磁共振、光散射检测、全息折 射指数法等【 4】。 微流控芯片在医学检测上的应用 血液主要由血细胞和血浆两部分组成。其中血细胞约占血液容积的 45 % 。每微升血液中约含 5 106 个血细胞 ,包括红细胞、网织红细胞、血小板、白细胞等 ,其中红细胞数量最多 ,而白细胞数量较少 。而白细胞作为人体免疫细胞，对医学研究有着巨大的意义。那么如何从血液中分离出高浓度的白细胞来进行实验研究分析呢？以往常常是利用各个细胞之间密度不同进行速度沉降法或利用淋巴细胞分离液进行分离【 5
5、】 .但是因为白细胞在分离过程中易受人为因素或外界刺激的影 响 ,而改 变其初始免疫表现型 ,影响研究结果的真实 性。【 6】微流控芯片通道宽度 一般为 50 100um 和 细胞大小相匹配 ,细胞在微通道内非常容易操纵观察和检测【 7】。而且，由于微流控芯片具有快速，小型的特点，其甚至可以对单个细胞进行操作，这对特异性实验提供了酿好的材料，排除了其他因素的干扰。下图为血液细胞样品处理的一般流程。 【 8】 微流控芯片处理血样细胞的方法是多种多样的。其中我个人比较喜欢的方法是 ,Shevkoplyas 等利用微循环中血流的特征设计了一种多个倒“ Y”结构联用的微流控芯片 【 9】 , 白细胞位
6、于 t 两侧。图【 10】中血液从样品池进入供应通道 ;流体从顶部到底部进入低压池。其工作原理是 ,利用血液中红细胞含量比白细胞多 ,但红细胞更小、更易变形 ,在微通道中流动比白细胞快。当血液在微通道中流动时 白细胞在通道边缘流动 ,从而将其从血液中分离出来。该芯片可使白细胞与红细胞的比例从 1 1100 提升到 1 32 ,即富集效率达 32倍 ,这比一次离心效率高 10 20 倍。 除此之外，用于分离血液的还有双向电泳技术，光学镊子分离细胞等等。 由于微流控芯片的特殊结构 ,除能够在芯片中完成靶细胞分离外 , 同样在微流控芯中也能够对单细胞或少量细胞及其成分进行分析研究。该技术已被广泛运用
7、于细胞生物学研究中 ,如在微流控芯片上实现细胞溶解 ,并对单细胞中的可溶成分进行定量生化分析、核酸分析以及蛋白质分析等。 下面我们介绍微流控在 HIV 中应用的一个例子。【 11】 深圳市血液中心在常规 ELISA 初、复检全项测定合格基础上，将献血者的血清按 5人份 X200 斗 L 进行汇集，用大容量磁珠法提取样本核酸， PCR 一微流芯片检 测技术进行扩增和检测。将国家标准质控血清进行系列 稀释考评方法的灵敏度和重复性。 结果 342 份 (69 个汇集池 )无偿献血标本中有 3份 HBsAg(一 )HBV DNA(+)， HBV DNA 阳性率为 0 89，其中 1 份标本两对半结果全
8、阴性， 2 份标本抗一 -Ins(+)及抗一 HBc (+)。PCR 一微流芯片法检测 HBV DNA、 HCV RNA及 HIV RNA 的 95的灵敏度分别为 11.5 IU m_L、167 7 拷贝 mL 和 57 9 IU mL 结论 PCR-微流芯片法具有操作简便、快速、灵敏度高、特异性强、重复性好等 特点，可应用于血液 HBV DNA HCV HIV RNA 的筛查工作，以进一步提高输血的安全性。 由上诉说明以及举例可以看出，微流控芯片在人类医学发展中正开始萌大的进展，虽然现在微流控技术还不完善，但是可以预见这是一个朝阳产业。这也对我们学习的能力提出了更高的要求。我们不能再像以前一
9、样只学习一个专业，而是要加强通识教育，培养自己更宽更广的知识，而不是停留在一个单一的专业上。生物仪器作为生命科学与化学、工程学等领域的交叉与结合 , 已是科学发展的必然。浙大生物仪器和浙大控制科学有着千丝万缕的关系， 浙大控制科学有着国内数一数二的深厚基础，在这样的历史条件和良好背景下，窃以为大一新生选择生物仪器或者控制科学不失为一种从事科学的有效选择。 微流控芯片具有微型化、集成化及在多学科交叉方面的独特优势 , 已被广泛运用于生物医学等不同研究领域 ,并已取得了显著成果 ,显示出广阔的应用前景。另外 ,微流控芯片所具有的多种单元操作的灵活组合、整体可控及规模集成 ,使其非常适合现场即时检测
10、与系统生物学的研究。【 12】客观地讲 , 目前真正从系统意义研究生物学与全面 POC 临床检验还有待时日 ,当前迫切的任务是加快这种技 术向分子、细胞以及全血分析等研究领域的渗透。历史正在召唤，我们应当做好准备了。 【参考文献】 【 1】 Todd T ,Sebastian J M ,Step hen R Q . Microfluidic large scale integrate chip J . Science ,2002 ,298 :580584 . 【 2】 Mario C ,Nak W C ,J ason P G ,et al . A microfluidic biomateria
11、l J . Journal of t he American Chemical Society , 2005 , 127 (40) :1378813789. 【 3 】 3Sarah W.Old alginates solve new problems J . Analytical Chemistry ,2006 ,78( 1) :15. 【 4】 【 5】 http:/ 【 6】 【 7】 Pollack M G , Shenderov A D ,Fair R B. electrowetting-based actuation of droplet s for integrated microfluidics J . Lab on a Chip ,2002 ,2 (2) :96101. 【 8】 【 9】 【 10】同【 9】 【 11】 中国现代医学杂志 V01 17 No 23 【 12】学生同浙江大学控制系牟颖老师谈话记录 注：因为自己查看的文献本身也是应用其他作者，出 于对原作者的尊重，学生讲原始数据来源附上。有些文献不能复制，只能烤制图片贴上。
