医学检测微流控芯片应用范文

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检验医学是社会主义现代化建设所需要的、具备基础医学、临床医学、检验医学等方面的基本理论、基本知识和基本技能，知识面宽、能力强，素质高，能在各级医院、血站及防疫等部门从事医学检验及医学类实验室工作的检验医师。

医学检验是对病人的血液、体液、分泌物或脱落细胞等标本，进行化验检查，以获得病原、病理变化及脏器功能状态等资料。医学检验分为临床检验与医学实验技术两方面。临床检验是临床医生确诊的必要手段之一，而医学实验技术主要侧重于实验操作方面，为研究所、实验室输送实验师（技师）。

1微流控芯片概述

微流控芯片(Microfluidic)，又称芯片实验室(LabonaChip)或者微全分析系统(MicroTotalAnalysisSystems，μ-TAS)[1]，就是通过分析化学、微机电加工(MEMS)、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化[2]。这样通常需要在一个实验室中进行的实验可以在一块芯片系统上进行，大大提高了实验速度，减少了所需的样本剂量，节省了昂贵的化学试剂，降低了化学污染。它充分体现了当今分析设备微型化、集成化与便携化的发展趋势。目前，微流控芯片主要应用于单核苷酸多样性检测、基因诊断、蛋白质分析等前沿技术领域。

微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件，像集成电路一样集成在芯片材料上[3]。制作方法在传统的光刻和刻蚀的基础上发展模塑法、热压法、激光切蚀法、LIGA技术和软光刻方法[4]。

2微流控芯片在医学检测中的应用

2.1离子检测

离子分析在环境科学、生命科学以及食品工业等许多领域中都有重要的用途。临床医学中也少不了对各种离子的检测，如血液分析、培养液监测。经过近年的发展，微流控芯片技术在离子分析领域取得了很多研究成果。

金属离子虽然在体内含量很低，但却对生命活动起着举足轻重的影响。如K+、Na+、Ca+等调控着重要的离子通道，Fe+、Zn+等是金属酶的重要配体。等速电泳(ITP)是利用离子的有效电泳淌度的不同，对离子化合物进行定性和定量分析以及样品的浓缩。Prest等在硅胶芯片上利用ITP技术，通过电导检测实现了对K+、Na+的分离分析。荧光检测是微流控芯片中应用最广泛的检测手段，金属离子通常不含有荧光基团，需要经过衍生后才能进行荧光检测分析。Yang等根据三磷酸腺昔(ATP)与钙吸收反应的关系(ATP调控Ca+通道的开、关)，在微流控芯片上研究了ATP浓度改变时Ca+浓度的变化。先用自身无荧光的荧光试剂Fluro3对细胞进行标记，Fluro3在胞内酶的作用下与Ca+结合，激光扫描被标记的细胞即可获得Fluro3-Ca+发出的荧光信号。当具有梯度浓度的ATP溶液流过贴壁细胞，引起胞内钙离子浓度的变化，用共焦激光扫描显微镜可以检测荧光信号的变化。Wheeler等在微流控芯片上进行了细胞内的Ca+离子流量实验，将衍生试剂、刺激剂相继灌注到微室中，细胞在受到刺激后释放出被荧光标记的Ca+，然后进行激光诱导荧光(LIF)检测。

一氧化氮(NO)作为一种重要的生物信使分子，在血流调节、信号传导、免疫防御等多种生理及病理过程中发挥重要的作用。检测NO浓度的对疾病诊断具有重要意义。NO很容易被氧化成NO2ˉ、NO3ˉ，对NO含量的检测多通过检测NO2ˉ、NO3ˉ来获得。Miyado等在微流控电泳芯片上检测了血清和唾液中的NO2ˉ、NO3ˉ，并在8s内完成了两种离子的分离。

2.2代谢物的检测

代谢是生命的基本特征。从有生命的单细胞到复杂的人体，都与周围环境不断地进行物质和能量交换，这一交换过程称为代谢或物质代谢。对代谢物的分析，能够帮助人们更好的理解病变过程以及机体内物质的代谢途径。微流控芯片技术为灵活快捷地分析代谢物提供了新的方法，一些代谢物的分离、检测已经在微流控芯片上得到实现。

体液中葡萄糖浓度与多种疾病相关，是代谢物检测的重要指标。检测葡萄糖浓度的典型方法就是经葡萄糖氧化酶把葡萄糖氧化为具有电活性的葡萄糖酸和过氧化氢(H202)，然后通过电化学方法进行检测葡萄糖酸或者通过化学发光法检测过氧化氢。即：

葡萄糖+氧气葡萄糖氧化酶H202+葡萄搪酸

这一过程可以方便地在微流控芯片上得到实现。在芯片上，含有葡萄糖的样品和葡萄糖氧化酶混合，葡萄糖被葡萄糖氧化酶催化氧化，产生葡萄糖酸和H202。电中性的葡萄糖和过氧化氢与其他带电荷的物质分离开，然后分别在下游的检测器上检测。Kim等在PDMS微流控芯片的通道中制作了一个马蹄形微栅(如图1)，微栅上涂有葡萄糖氧化酶(GOX)和HRC。样品流经通道时可以充分与GOX接触，样品中的葡萄糖被催化氧化，同时生成的H202也与HRC混合，在通道末端进行光度检测。该方法测得的葡萄糖浓度具有较宽的线性范围。Srinivasan等采用离散进样的方式测定了血清、血浆、尿液、唾液等液体中的葡萄糖含量。微液滴以20Hz的频率进人微通道，液滴之间用硅油隔开。当液滴经过检测器时，可以进行快速的检测。

图l带有马蹄形徽栅的反应器示意图

尿酸(uricacid，UA)是嘌呤代谢的最终产物，主要有细胞代谢的嘌呤类化合物以及食品中的嘌呤经酶的作用分解而来。体液中UA含量的变化，可以充分反映出人体内代谢、免疫等机能的状况。Lv等通过化学发光法在微流控芯片上实现了对血清中尿素含量的检测。其做法是将HRC、鲁米诺和尿酸酶采用溶胶-凝胶的方法分别固定在芯片通道内。把含有尿酸的人血清样品注人芯片，经过尿酸酶转化，产生的过氧化氢在HRP的催化下发生鲁米诺反应，进行发光检测。对尿素浓度检测的线性范围达1-100mg/L，测量限为0.lmg/L。

临床的检测中，往往需要对样品检测多种物质的含量。只有通过对这些指标的综合分析，才能对人的健康状况做出有效评判和对病情做出准确的诊断。微流控芯片中的多通道技术可以很好地满足这一需求。wang等构建了一种同时检测葡萄糖、尿素和抗坏血酸的微流控芯片实验室。实验时，首先让样品溶液中的葡萄糖与固定有葡萄糖氧化酶的微通道中发生衍生化反应，生成具有电活性的葡萄糖酸，接下来葡萄糖酸与尿酸、抗坏血酸在另一独立的微通道中进行电泳分离，最后末端的丝网印刷碳电极分别对它们进行电化学响应，从而实现的对尿酸、抗坏血酸的直接电化学检测和葡萄糖的间接电化学检测。

3结论与展望

随着现代医学技术的发展，医学检测中要求化验和检验的仪器具有更高灵敏度、更短检测时间、更小体积(便携化)。而微流控芯片技术所具有的优点能够很好的满足这些要求。目前，微流控芯片主要应用于基因测序、蛋白质图谱分析等高、精、尖领域，但随着微流控芯片技术的不断成熟和制作成本的不断降低，必将大规模地进人到常规医学检测领域，取代那些笨重而且操作复杂的化验、检验设备，进而促进医疗水平的进步。

微流控芯片在这一领域的应用对细胞培养反应器的研究也具有重要意义。例如，在生物人工肝支持系统中，必须及时掌握肝细胞成长的情况。传统的做法是按一定时间间隔对肝细胞的培养液取样，利用已有的医学化验和检验手段进行分析。这一做法存在滞后性和不连续性的缺点，同时消耗样品过多。目前，我们课题组正尝试借助微流控芯片技术，实现对培养液中离子和代谢物浓度的在线(on-line)检测，实时监测肝细胞的生长状态。