芯片实验室英文

微全分析系统微全分析系统 介绍介绍 理论理论 技术技术 本综述内容本综述内容 一 历史 一 历史 1 早期 早期 1975 1989 2 复兴 复兴 1990 1993 3 增加到 增加到 临界点临界点 1994 1997 二 小型化理论 二 小型化理论 1 早期概念 早期概念 2 理论描述和模拟 理论描述和模拟 三 技术工艺 三 技术工艺 1 微组装 微组装 2 结合技术 结合技术 3 表面修饰 表面修饰 4 设计 设计 5 接口与互联接口与互联 6 微波和流量调节 微波和流量调节 7 微泵 微泵 四 文献引用四 文献引用 本领域相关的关键知识有 换能器 微转录扩增系统 高效毛细血本领域相关的关键知识有 换能器 微转录扩增系统 高效毛细血 管电泳 管电泳 由于本文是第一个芯片实验室方面的综述 所以从理论讲起 由于本文是第一个芯片实验室方面的综述 所以从理论讲起 早期阶段 早期阶段 25 年前 第一个小型化分析设备是焊接在硅上的气年前 第一个小型化分析设备是焊接在硅上的气 象色谱分析仪 象色谱分析仪 复兴阶段 复兴阶段 技术工艺 表面处理工艺 与检测设备的衔接 微组装工艺的技术工艺 表面处理工艺 与检测设备的衔接 微组装工艺的 成熟导致了微流控装置的出现 成熟导致了微流控装置的出现 Micro Total Analysis Systems Latest Achievements 微全分析系统逐渐成熟 表现在逐渐增多且质量微全分析系统逐渐成熟 表现在逐渐增多且质量 也在提高的文章 芯片实验室需要种种化学分析设备也在提高的文章 芯片实验室需要种种化学分析设备 以及相关科学和技术学科的支持 本文所采用的文章以及相关科学和技术学科的支持 本文所采用的文章 都是在都是在2006年年3月到月到2008年年2月之间的 本文还采用月之间的 本文还采用 了以前的综述文章以及十年间的芯片实验室的进展方了以前的综述文章以及十年间的芯片实验室的进展方 面的图表 通过关键词搜索能在网络中找到几千篇相面的图表 通过关键词搜索能在网络中找到几千篇相 关文章 多数发表在关文章 多数发表在Analytical Chemistry 和和Lab on a Chip 现在关注的优秀文章集中在以下几个方 现在关注的优秀文章集中在以下几个方 面 面 scaling effects 标定效果 标定效果 optofluidic technologies 可视流体技术 可视流体技术 single molecule detection 单分子检测 单分子检测 reaction control 反应液控制 反应液控制 cell chips 细胞芯片 细胞芯片 and diagnostics for global public health 健康诊断 健康诊断 定标效应 光学流体技术 单分子检测 反应控制 定标效应 光学流体技术 单分子检测 反应控制 细胞芯片 健康诊断 细胞芯片 健康诊断 我们的目标集中在化学流体分析系统 从而忽略我们的目标集中在化学流体分析系统 从而忽略 了其他领域比如生物传感器 生物芯片 微量化学分了其他领域比如生物传感器 生物芯片 微量化学分 析系统 另外 由于微组装是一个很大的课题 我们析系统 另外 由于微组装是一个很大的课题 我们 选择的方向有限 最关注的是表面修饰 实际上 这选择的方向有限 最关注的是表面修饰 实际上 这 个领域跨越的学科很广泛 很难完全把它同别的领域个领域跨越的学科很广泛 很难完全把它同别的领域 区别开来 现在最吸引人的进步是液滴技术的爆发性区别开来 现在最吸引人的进步是液滴技术的爆发性 研究 从而使分析仪器能处理分散的微流体 研究 从而使分析仪器能处理分散的微流体 技术技术 微组装技术微组装技术 使用液晶显示器的无掩膜光刻技术具有使用液晶显示器的无掩膜光刻技术具有 一个华东的透镜 分辨率达到一个华东的透镜 分辨率达到2 8微米 微米 遮蔽物也可以用金属转膜从低表面能量氟化乙烯丙烯遮蔽物也可以用金属转膜从低表面能量氟化乙烯丙烯 产生小角膜接触镜并且用远端曝光产生纳米结构 对产生小角膜接触镜并且用远端曝光产生纳米结构 对 芯片实验室来说芯片实验室来说3 D微结构用处很大 深度微结构用处很大 深度SU 8膜的膜的 多角背部曝光被用来集成复杂的细致的微通道 还有多角背部曝光被用来集成复杂的细致的微通道 还有 一种是多层的不对称一种是多层的不对称U 8微粒子组装 三氧化二铝的微粒子组装 三氧化二铝的 电化学阳极化能产生高比率的纳米空隙 这些被用来电化学阳极化能产生高比率的纳米空隙 这些被用来 完成大面积的纳米柱组装聚合模子 通过简单的解链完成大面积的纳米柱组装聚合模子 通过简单的解链 和溶解作用打印的蜂蜡结构也能作为模子 对于和溶解作用打印的蜂蜡结构也能作为模子 对于3 D 微电极阵列的组装 金属能在微塔器上电镀形成图案 微电极阵列的组装 金属能在微塔器上电镀形成图案 模子使用准分子激光器刻制的 也有人制作了很长的模子使用准分子激光器刻制的 也有人制作了很长的 8MM 多层碳纳米管 这个让人印象深刻的锁头 多层碳纳米管 这个让人印象深刻的锁头 样子的束是通过对在金属催化剂的帮组下对三氧化二样子的束是通过对在金属催化剂的帮组下对三氧化二 铝金属层的热化学蒸汽处理得到的 玻璃是众所周知铝金属层的热化学蒸汽处理得到的 玻璃是众所周知 的很难加工的材料 阴极的电化学排泄加工也被用来的很难加工的材料 阴极的电化学排泄加工也被用来 精炼精炼3 D垂直墙的微结构 阳极的电化学排泄加工也垂直墙的微结构 阳极的电化学排泄加工也 结合空泡形成和溅射效应 也有人用多聚二甲基硅氧结合空泡形成和溅射效应 也有人用多聚二甲基硅氧 烷制造了可控制尺寸的水泡 苯甲酮也可以作为光敏烷制造了可控制尺寸的水泡 苯甲酮也可以作为光敏 催发剂用于小于催发剂用于小于365纳米的多聚二甲基硅氧烷构造 纳米的多聚二甲基硅氧烷构造 甲基丙烯酸甲酯表面修饰是微构造的一个主要方面 甲基丙烯酸甲酯表面修饰是微构造的一个主要方面 生物物质 生物相容性的或者生物物质也得到了重视 生物物质 生物相容性的或者生物物质也得到了重视 有人使用微流体结合显微镜辅助的光聚合作用构造有人使用微流体结合显微镜辅助的光聚合作用构造3 D构型的复合生物物质 微流控被用来弥散限制的离构型的复合生物物质 微流控被用来弥散限制的离 子交联 很多组装使用了脂质 子交联 很多组装使用了脂质 集成和接口 微通道包裹需要与第二亚基层的结合 集成和接口 微通道包裹需要与第二亚基层的结合 绑定 交联 接口 绑定 交联 接口 光学整合作用 成分 波导光学整合作用 成分 波导 微流体控制 阀门和转换 流体处理器微流体控制 阀门和转换 流体处理器 基本操作 基本操作 1 样品准备 样品准备 1 1相萃取相萃取 液液 液相是分离萃取丰富待液相是分离萃取丰富待 检物质的优秀方法 布洛芬对映选择性分层由三项分检物质的优秀方法 布洛芬对映选择性分层由三项分 层液体包括样品混合液 离子层和恢复层 使用层液体包括样品混合液 离子层和恢复层 使用5层层 液体把尿素从蛋白中分离 液体把尿素从蛋白中分离 1 2细胞选择 样品的丰富具有重要作用 有人使用细胞选择 样品的丰富具有重要作用 有人使用 抗体包被磁力念珠在抗体包被磁力念珠在PCR扩增反应之前富集了登革扩增反应之前富集了登革 热病毒 在双向电泳中使用抗体富集单核细胞增多性热病毒 在双向电泳中使用抗体富集单核细胞增多性 李司忒李司忒 氏氏 菌的效率大约是菌的效率大约是90 也能使用一种叫做 也能使用一种叫做 pixellation的方法把细胞从移源基因层分离出来 即的方法把细胞从移源基因层分离出来 即 样品在微流体槽中被解构层微小液滴以实现线性化和样品在微流体槽中被解构层微小液滴以实现线性化和 高分辨率图像 高分辨率图像 1 2细胞裂解 对细胞内物质 多数是核苷酸 的检细胞裂解 对细胞内物质 多数是核苷酸 的检 验需要裂解细胞 一种能连续流动电穿孔介导的细胞验需要裂解细胞 一种能连续流动电穿孔介导的细胞 裂解效率大概是裂解效率大概是80 有人使用圆柱塔状电极产生均 有人使用圆柱塔状电极产生均 一的电厂提高白细胞裂解效率 有人用小于等于一的电厂提高白细胞裂解效率 有人用小于等于 1MHz的电穿孔术结合梯形缩紧通路裂解了西葫芦原的电穿孔术结合梯形缩紧通路裂解了西葫芦原 生质体 激光降解是另外一种方法生质体 激光降解是另外一种方法 有人用有人用808纳米的纳米的 激光照射激光照射40秒刺激免疫磁珠来降解人类血清中的一秒刺激免疫磁珠来降解人类血清中的一 些病原 细胞悬浮液可以用单一的汽化空泡声纳裂解 些病原 细胞悬浮液可以用单一的汽化空泡声纳裂解 也可以用十二烷基硫酸钠降解细胞 使用多层的微通也可以用十二烷基硫酸钠降解细胞 使用多层的微通 道第一次捕捉到了单个的哺乳动物细胞 有人使用氢道第一次捕捉到了单个的哺乳动物细胞 有人使用氢 氧化物离子的原位电化学方法来裂解细胞 氧化物离子的原位电化学方法来裂解细胞 1 3DNA分离 细胞裂解之后待分析物质需要从混合分离 细胞裂解之后待分析物质需要从混合 液中纯化出来 纳米多孔阳极化硅被用来从血液中萃液中纯化出来 纳米多孔阳极化硅被用来从血液中萃 取和纯化取和纯化DNA 有人把细胞捕捉和 有人把细胞捕捉和DNA螺旋混合结螺旋混合结 合起来 利用合起来 利用DNA优化的在优化的在4度绑定和度绑定和80度洗脱来纯度洗脱来纯 化分离全血中的化分离全血中的DNA 对于痕量样品的分析 杨秀 对于痕量样品的分析 杨秀 荣荣 汪而康汪而康 董少俊董少俊 有人使用微线圈阵列完成小液滴的传递 由磁性微粒有人使用微线圈阵列完成小液滴的传递 由磁性微粒 提供 经过多步的操作实现了从提供 经过多步的操作实现了从 10 个细胞中得到了个细胞中得到了 DNA 的纯化 的纯化 对于稀有对于稀有 RNA 样品 有人用硅质微流控芯片实现了样品 有人用硅质微流控芯片实现了 大样品的高流速和低压力大样品的高流速和低压力 有人发明了一个细胞的表达系统用于有人发明了一个细胞的表达系统用于 mRNA 的分离的分离 以及后继的以及后继的 CDNA 合成和纯化 合成和纯化 除了传统的硅基固体纯化方法 也有人用纳米孔铝膜除了传统的硅基固体纯化方法 也有人用纳米孔铝膜 完成完成 DNA 抽提 抽提 有人用金纳米颗粒修饰的羟丙纤维素溶液进行芯片原有人用金纳米颗粒修饰的羟丙纤维素溶液进行芯片原 位位 DNA 预浓缩 同时作为一种预浓缩 同时作为一种电烙术标签提高了大约标签提高了大约 25000 倍的灵敏度 倍的灵敏度 蛋白准备 由于蛋白不能进行扩增 所以蛋白的预浓蛋白准备 由于蛋白不能进行扩增 所以蛋白的预浓 缩就对于下游工作具有重要意义 缩就对于下游工作具有重要意义 有人使用离子通透膜实现了超过有人使用离子通透膜实现了超过 10000 倍的蛋白预倍的蛋白预 浓缩 等速电泳法是另外一种高效的蛋白浓缩方法 浓缩 等速电泳法是另外一种高效的蛋白浓缩方法 用短暂等速电泳法实现了人血清白蛋白及其免疫复合用短暂等速电泳法实现了人血清白蛋白及其免疫复合 物物 800 倍的信号增强 对于染料模式的蛋白 短暂倍的信号增强 对于染料模式的蛋白 短暂 等速电泳法通过电渗流悬浮改变领先和跟踪的信号得等速电泳法通过电渗流悬浮改变领先和跟踪的信号得 到百万倍的信号增强 到百万倍的信号增强 用多聚二甲基硅氧烷形成的两个回文状电场 成镜面用多聚二甲基硅氧烷形成的两个回文状电场 成镜面 对称 在阳极实现了对称 在阳极实现了 1000 1000000 倍的阴离子富集 倍的阴离子富集 一系列的电泳分离 选择 消化后进入微流控系统的一系列的电泳分离 选择 消化后进入微流控系统的 数十微升样品的准备在质谱分析之前 植入胰蛋白酶数十微升样品的准备在质谱分析之前 植入胰蛋白酶 的溶胶的溶胶 凝胶剂能在几秒钟内实现蛋白的有效和低容凝胶剂能在几秒钟内实现蛋白的有效和低容 量消化 数字化量消化 数字化 Electrowetting on dieletric 微流微流 控也能作为蛋白的准备方法 有人用这个方法控也能作为蛋白的准备方法 有人用这个方法 注射和分离 注射 把分散的样品注射入微通道对于注射和分离 注射 把分散的样品注射入微通道对于 样品的高效分离是常重要的 对于几乎连续不断的样样品的高效分离是常重要的 对于几乎连续不断的样 品注射 具有前后门品注射 具有前后门 0 1 秒脉压的电动模式可以被使秒脉压的电动模式可以被使 用 纳升样品的注入可以通过整体的电渗流泵产生的用 纳升样品的注入可以通过整体的电渗流泵产生的 无气泡液体无气泡液体 2 kV with a 10 A current 实现 为实现 为 了减少液体分散和样品 可以通过一个了减少液体分散和样品 可以通过一个 T 字接头的字接头的 区带电泳系统加强电流 一个下游扩展室能被用来控区带电泳系统加强电流 一个下游扩展室能被用来控 制样品的形状 有人证明纳米孔膜能在注射入下一个制样品的形状 有人证明纳米孔膜能在注射入下一个 通道的时候起到门的作用 对于纯的机械注射来说 通道的时候起到门的作用 对于纯的机械注射来说 有人用荧光碳包被的具有滑动膜的玻璃实现可重复使有人用荧光碳包被的具有滑动膜的玻璃实现可重复使 用的用的 10 纳升的计量 纳升的计量 分离 各种化学成分的分离一开始就处于芯片实验室分离 各种化学成分的分离一开始就处于芯片实验室 的核心位置 有人发展了一种弹性的等离子体解析质的核心位置 有人发展了一种弹性的等离子体解析质 谱法 把他和一种微结构阵列相结合 具有带通滤波 谱法 把他和一种微结构阵列相结合 具有带通滤波 有纳米级的精度 能让粒子和微生物分子分离 手征有纳米级的精度 能让粒子和微生物分子分离 手征 性的色氨酸旋光对映体被一个亲水稳定相结合牛血清性的色氨酸旋光对映体被一个亲水稳定相结合牛血清 白蛋白共轭的单壁碳纳米管 亲水物质的高效的白蛋白共轭的单壁碳纳米管 亲水物质的高效的毛细 管胶束电动色谱色谱法能通过有活性的 SDS 包被的 假稳态相 通过样品捕捉 部分注射和毛细管胶束电 动色谱法灵敏度提高了 393 倍 微流控芯片的应用 1 临床诊断 1 1 生物流体分析 微流动血液成分分析能完成很多健康指标检测 使用非荧光标记的微流控光学阻抗分析 能鉴定牛巴 贝虫感染的红细胞 在输血配比时 传统的凝集反应 可以被转移到自动化的微流控芯片上 把使用者的血 液和备用血液微观混合 另外一种便宜的基于细胞亲 和层析技术的 CD4 淋巴细胞阳性计数微流控芯片能 用于判断艾滋病的阶段 也有工作者用微流控芯片检 测血清中酶对碘氧基苯甲醚能来判断肝 肾脏疾病阶 段 他使用温度控制的电泳微芯片 以乳酸盐脱氢酶 完成碘氧基苯甲醚的分离 并使用一个在线生物活性 阵列来衡量结果 在药品检测方面 多聚膜制作的电 流检测微流控芯片上打印对吗啡敏感的结合分子 能 快速简便的检测吗啡 1 2 抗体基础上的诊断 ELISA 模式能很方便的集成到微流控芯片上 磁珠既可以作为免疫反应的固体支持物 也可以作为 快速免疫反应的微观混合器 使用微构造床代替标准 的侧面转移膜 可控制的微细管液体流进行 C 反应 蛋白表面反应免疫检测 使用微构造膜的垂直 ELISA 能用来检测壬基苯酚 心形路线的微流控芯 片 应用 2 D 磁力操作的微滴法能实现多步 ELISA 1 3 核苷酸检测 CD 平台能用来从白血病病人的血液中快速高质 量的提取假丝酵母的 DNA 配合 PCR 和芯片检测 本方法的灵敏度能达到 8cfu ml 血液 经过 12 分钟 的样品准备后能用微粒子的激光激活裂解细菌和病毒 并且捕捉核苷酸序列 也可以用抗体包被微粒子在复 杂环境中捕捉抗原 一个结合磁珠的完全集成化芯片 实验室已经开发完成 可用于粪便中沙门氏菌捕捉和 PCR 扩增 相似的 磁珠也能与芯片实验室结合完 成逆转录扩增前的登革热病毒和肠道病毒 71 的 RNA 捕捉 超顺磁性的粒子能用来完成微粒子的运送 有 人用这种方法完成了咽拭子中 H5N1 的快速分离 28 分钟内 纯化 预浓缩 500 倍 和 RT PCR 检测 1 4 癌症诊断 有一些生物标记物和参数能用来监控癌症 微流 控 RT PCR 和 CE 方法结合能检测多种骨髓瘤中免 疫球蛋白重链的迁移和重排 蛋白表达和抗原基础上 的方法也是有效的 1 5 辅助生殖技术 体外受精一个最主要的难题就是单个的精子的分 离 这可以通过静水压力产生的平行流微流控芯片实 现 2 核苷酸分析 2 1序列分析 现在PCR技术的微型化仍然是人们的兴趣热点 低千兆赫微波且具有微通道的微流控芯片 加热升温 速度是40度每秒 而降温效率更高达到60度每秒 作为静电反应器的替代品 液体在环状区域内流动 不同温度区组成环状区域 除了用于PCR扩增 SANGER测序也可以通过环形持续流动液体微反应 器完成 门外感应器 小液滴 介导性运输 有人使用薄 膜白金加热器完成 PCR 片段扩增 静止液滴热循环 的微装置也有人报道 随着 T 字形通道的深入使用 液体的体积能达到皮生 10 18 的水平 从而实现单 拷贝的 PCR 扩增 并行的高通量的研究也是热点 高密度弹性阀门 用来形成 72 道并联的 450 微升的 RT PCR 系统 有 人在此基础上 设计了 12 个操作盘的平台 每个操 作盘有 1176 个小室 用于检测肠道微生物群的多基 因分析 高通量系统也可用于单个基因分析 PCR 容易和别的分子生物学方法结合来提高灵 敏度和提高序列分辨率 基于芯片的 PCR 后连接检 测反应可以检测低拷贝点突变 相似的 把 RT PCR 和电泳条带大小检测整合在一起可以达到阿 托 10 18 摩尔的灵敏度 11 RNA 模版 反应液体积为 380 纳升 另外一个 RT PCR 结合了单细胞捕获和裂解 可以用于整个转录子的检测 除了序列扩增之外 微 流控芯片还可以和编码微串珠结合产生可移动杂交平 台用于多重复杂的序列分析 序列和点突变也能通过 微流控芯片检测 大的 DNA 片段的分离需要许多基因分析设备 循环电动混合曾经被用来做电泳后快速限制性酶切消 化 使用间隔为 500 纳米的纳米柱阵 不同的千 碱 基大小的 DNA 片段能被迅速分离 原理是螺旋半径 不同 有人使用了自组装的硅纳米颗粒基质循环阵列 用于 50 50000bp 的 DNA 片段的断口显微摄影 不同的 DNA 大分子构象具有不同的表面特征 在电泳时 金纳米点作为阻塞点能用来分离线性的 松弛的 超螺旋的和分子量不同的生物大分子 DNA 2 2DNA 的生物物理学 DNA 链的物理和化学行为对科学家具有很大的 吸引力 用羟乙胺流体系统可观察 DNA 荧光染料的 扩散反应动力学 用多通道平台可找到真核细胞转录 子的 DNA 结合区 使用纳米孔电场可观察单分子 DNA 的易位 纳米流体通道也能用来 DNA 分子的定 向和伸展 用来观察限制扩散流体相互作用 3 蛋白质 3 1 分离 微流控芯片技术很适合用来完成庞大的多样化的 蛋白质组学研究 Emrich 等设计了一种双向分离胶 电泳用来分离大肠杆菌细胞中诱导产生的蛋白