聚焦2016年度《化学》微流控芯片和应用

摘 要对《分析化学》2010年度有关微流控芯片分析技术作了分类,评述了各种分析技术的特点与应用情况,并与国外

SymbolmA@TAS发展的整体趋势进行了对比.

关 键 词微流控芯片；评论

1微流控芯片分析技术研究整体概述

集多学科交叉的微型全分析系统（

SymbolmA@TAS）首先由Manz等科学家在20世纪90年代初提出,现又被称为“芯片实验室（Labonachip）”.国内相关研究中更多采用方肇伦先生提出的“微流控芯片分析（Microfludicchipanalyticalsystems）”概念.该领域的发展非常迅猛,据统计相关文献在多领域众多杂志上均有发表,过去十年中发表的相关论文约10000篇,尤其是在高影响因子的Nature,Science,PANS,Anal.Chem.和LabChip等杂志上发表的文章影响较大,同时,在美国申报的

SymbolmA@TAS相关专利已超过1000件,且一直呈现上升趋势.与此同时,国内相关研究多紧跟国际发展步伐,在多个领域都有所涉及.值得注意的是,

SymbolmA@TAS尚处于应用研发阶段,尽管涉及面非常广泛,但真正做到系统性、功能性和实用性的不多,商品化产品发展尚很缓慢.

2国内微流控芯片分析技术研究现状

在微流控芯片分析领域,国内研究在对传统技术深度挖掘和对新技术快速追踪基础上,也在逐步形成了自身特色和优势.《分析化学》2010年度刊载发表的有关微流控芯片分析技术的论文共11篇（表1）.按分析对象分类,包含：DNA[1,2,3]、蛋白质[4,5,6]、细胞[7,8]和小分子和离子[9,10,11]相关研究.按分析方法分类,包含：芯片电泳[1,2,4,10]、免疫分析[3,6,9]和其它[5,7,8,11].

将一些新兴分析测试原理和技术与微流控芯片结合,研发新型的微流控芯片分析技术和方法是其重要的创新方向和领域,国内学者在这方面进行了探索.唐飞等[11]基于微机电系统技术（Microelectromechanicalsystem,MEMS）,研制了微型高场非对称波形离子迁移谱（Highfieldasymmetricweformionmobilityspectrometry,FAIMS）传感器芯片.设计了高场非对称方波电源,可输出最大频率2MHz,电压峰峰值1000V,占空比20%～50%连续可调的方波射频电压.以乙醇为实验样品,初步验证和分析了方波射频电压幅值对FAIMS传感器芯片性能的影响.姚辉璐等[8]针对中海贫血（地贫）红细胞内部的物质变化的分析目标,建立拉曼光镊微流控芯片自动化系统,该系统可收集β地贫红细胞和正常红细胞的拉曼光谱,并对其进行多元统计分析,实现了快速、准确、非损伤的全自动化检测,为生物学的研究和医学诊断提供新的研究手段.高志贤课题组[9]建立了一种基于高通量悬浮芯片技术同时检测多种农兽药残留的新方法,整个检测过程仅耗时1～2h,基本满足多种农兽药残留检测的灵敏、特异、快速和高效的需求.上述研究虽处于起步阶段,具有良好创意和特色,仍待深入化研发.

方波射频电压幅值对微型高场非对称波形离子迁移谱传感器芯片性能的影响

Effectofrectangularradiofrequencyvoltageamplitudeonperformanceofaminiaturehighfieldasymmetricweformionmobilityspectrometricsensorchip

高场非对称波形离子迁移谱

Highfieldasymmetricweformionmobilityspectrometric（FAIMS）

乙醇

Ethanol

检测技术是微流控芯片分析系统的核心之一,国内外学者都极为关注如何提高方法的选择性和灵敏度,在微管道中或在检测体系中引入现有的纳米探针、免疫体系、磁分离模块、量子点等检测技术是目前的研究热点.尹东光等[6]通过制备表面带氨基的核壳结构荧光纳米粒子Ru（bpy）3/SiO2作荧光探针标记链霉亲和素,应用于蛋白质微阵列芯片检测HIVp24抗原,结果显示,荧光强度与p24浓度呈良好的正相关性,检出限为3.1

SymbolmA@g/L,该探针可应用于高灵敏检测的蛋白质微阵列芯片及荧光免疫分析等系统.毛红菊等[3]采用纳米金和磁珠探针芯片技术,对微量乙肝病毒DNA进行检测,检测灵敏度达到10～15mol/L水平.检测时间少于1.5h,检测结果与HBVDNA水平呈现较好的线性关系且无检测阳性结果,该方法有望用于乙肝病人血清中HBVDNA的快速筛测及其它微生物基因检测.在这一领域,国内相关研究相对较少,与国外的研究相比尚有差距.

基于传统的微流控芯片分析技术,在芯片分析测试技术和方法上创新,以及与其它分析测试技术联用,构建更趋实用化的芯片分析系统也是国内研究的一大特色.如：刘大渔等[1]依据待测DN段相对于上位及下位内标的迁移时间比例,采用tITPCGE芯片上瞬间等速电泳模式,提出了一种巧妙预测DNA长度的方法.他们还利用芯片电泳方法考察瞬间等速电泳筛分电泳偶联分析的结果,分析发现自由溶液瞬间等速电泳有利于改善预浓缩和后续筛分电泳分离效果[7].邱宗荫等[4]采用蛋白质芯片与高效液相色谱和质谱的联用技术（HPLCCHIPMS/MS）,鉴定分析了非小细胞肺癌患者尿中Exosomes蛋白质组的表达差异.边超等[5]研制了基于标准CMOS工艺和微加工技术的集成电位无标型免疫微传感器,采用一次性柔性塑料片纳米金测试试条,即可实现糖化血红蛋白浓度与血红蛋白浓度的简便检测,对糖化血红蛋白和血红蛋白检测的线性范围分别为4～24mg/L和60～180mg/L.余晓冬等[10]应用电泳相似度检测微分析（EMMA）技术,构建了含碳纤维微电极的聚二硅氧烷（PDMS）芯片自由酶反应器,实现了葡萄糖（Glu）的在线检测.侯长军等[7]对多种光学检测方法在细胞研究中进行了综述,讨论了各种方法技术对细胞研究模型研究的适用范围.3发展趋势

国内目前有较多单位的课题组从事

SymbolmA@TAS研究,例如,国家纳米研究中心、中科院大连化学物理研究所、浙江大学、复旦大学、武汉大学、重庆大学、东北大学等.他们在国际刊物上有较多的相关论文发表,相关研究水平较高.相对而言,国内发表的论文学术水准还显得略逊一筹,尤其是论文被引情况尚不理想（文献[1]有一次国际刊物引用,文献[3]和[6]有两次国内刊物引用,文献[4],[5],[7]和[8]各有一次国内刊物引用）.

纵观国内外

SymbolmA@TAS发展的整体趋势[12～17],可以看到：（1）将一些新兴分析测试原理和技术与微流控芯片结合,基于新原理的微流控芯片设计、制作、系统及其应用研究,是

SymbolmA@TAS重要的创新方向和领域.如：拉曼光谱、离子迁移谱、表面声波等芯片分析的出现,能够实现更为快速、准确和高效的检测,为生物学的研究和医学诊断提供新的研究手段；（2）目前

SymbolmA@TAS发展最为突出的应用领域是微流控分析在细胞生物学方面的研究和应用.如融汇了免疫技术和交流阻抗分析技术的细胞细菌芯片分析,又如将量子点、纳米探针技术与微流控芯片分析技术结合来提高检测灵敏度的研究等均取得突出成效；（3）在

SymbolmA@TAS的技术研发方面,结合MEMS技术的芯片的设计和加工、表面修饰、光学检测器的片上集成、微流体的控制、纳米技术等的系统集成,是

SymbolmA@TAS系统功能化、集成化和实用化的重要方面.如：微流控芯片从传统的流体控制转向单细胞的处理,不同材质的多维芯片结构设计,高集成度高通量的阵列式生化分析芯片及其应用等；（4）需大力开展

SymbolmA@TAS技术的实用化研发.其中,许多内容也是我国相关领域研究人员尚需深入研究和开发的方向.国内

SymbolmA@TAS研究在紧跟国外发展步伐的同时,尚需进一步注重源头基础性研究、寻求跨学科的实用性芯片的研发与突破.

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12SaliebBeugelaar,GB,Simone,G,Arora,A,Philippi,A,Manz,A.AndreasM.Anal.Chem,2010,82（12）:4848～4864

13Mark,D,Haeberle,S,Roth,G,VonStettenz,F,ZengerlezR.Chem.Soc.Rev.,2010,39（3）:1153～1182

14Wang,L,Li,PCH.AnalyticaChimicaActa,2011,687（1）:12～27

15MosadeghB,BersanoBegeyT,ParkJY,BurnsMA,TakayamaS.LabChip,2011,11（17）:2813～2818

16NgAHC,UddayasankarU,WheelerAR.AnalBioanalChem．,2010,397（3）:991～1007

17YuT,MartinezMM,PappasD.ApplSpectrosc,2011,65（4）:115～124

FocusontheMicrofludicChipPapersinChineseJournalof

AnalyticalChemistryin2010

XUYi*1,2,3,NIYaLan1,2,LIDongShun1,2

（1ChemistryandChemicalEngineeringCollege；2DefenseKeyDisciplinesLabofNovelMicronanoDevicesand

SystemTechnology；3InternationalR&DcenterofMicronanoSystemsandNewMaterialsTechnology,

ChongqingUniversity,Chongqing400030）

AbstractTheresearchofminiaturizationoftotalanalyticalsystem（

SymbolmA@TAS）,alsocalledaicrofludicchipanalysis,waultidisciplinaryanddevelopedrapidlyintherecentyearsinChina.ThisreviewfocusedonthepublishedpapersinthisresearchingfieldonJ.ChineseAnal.Chem.in2010.Differenttechniquesandmethodologywereclassifiedandreviewedindetails,andthedevelopingprospectivewasalsodiscussed.

KeywordsMiniaturizationoftotalanalyticalsystem（

SymbolmA@TAS）,Microfludicchipanalysis,Review

（Received23September2011,accepted2November2011）