微流控芯片是以微管道為網(wǎng)絡(luò)連接微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測(cè)元件等既有光、電和流體輸送功能的元件，最大限度地把采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等分析功能集成在芯片上的微全分析系統(tǒng)。

微流控芯片（Microfluidic Analysis）是微分析系統(tǒng)的主要組成部分，它與生物芯片（Biochips）或微陣列芯片（Microarray chips）統(tǒng)屬LOC系統(tǒng)。但是生物芯片與微流控芯片涉及的是兩個(gè)完全不同的學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，并經(jīng)歷了各自獨(dú)立的發(fā)展過(guò)程。因生物芯片的應(yīng)用對(duì)象主要是DNA分析，所以也稱為DNA芯片，其發(fā)展要早于微流控芯片4-5年，始于80年代末。其發(fā)展主要來(lái)自與現(xiàn)代遺傳學(xué)的一些重要發(fā)現(xiàn)，并直接受益于該領(lǐng)域的某些重要研究成果。微流控芯片則是90 年代初、中期主要在分析化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的，它以分析化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機(jī)電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，以生命科學(xué)為目前主要應(yīng)用對(duì)象，是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。它的目標(biāo)是把整個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的功能集成在微芯片上，且可多次使用。兩者之間是互補(bǔ)與互融合的關(guān)系。

九十年代至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微流控芯片上樣品的分離方面上做了大量的研究，但多數(shù)研究主要集中在毛細(xì)管電泳方面，其它分離技術(shù)涉及較少。微流控芯片上的毛細(xì)管電泳（CE）微分離技術(shù)已成為當(dāng)今研究的熱門。由于CE屬于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微管分離，且進(jìn)樣也能夠通過(guò)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，因此相應(yīng)的技術(shù)和裝置就比較輕易微型化，實(shí)驗(yàn)條件在微型化后變化也不大，輕易移植。所以從1991年至今，國(guó)際上在其制作工藝方面的進(jìn)展與其在生物和化學(xué)方面快速分析的應(yīng)用也充分表明了毛細(xì)管電泳在微型化上的潛力和可行性。

1. 毛細(xì)管電泳（CE）分離技術(shù)
電泳作為一種物理現(xiàn)象早在19世紀(jì)就被人們所熟悉，電泳作為分離技術(shù)始于本世紀(jì)初。1907年，F(xiàn)ield和Teague利用瓊脂糖凝膠管實(shí)現(xiàn)了白喉毒素和抗毒素的分離。1923年Kendall在瓊脂糖凝膠U型管內(nèi)對(duì)同位素進(jìn)行了分離。1937年Tiselius建立了蛋白質(zhì)的移界電泳方法，將人血清分成幾個(gè)成分，因此榮獲了Noble化學(xué)獎(jiǎng)。
電泳是電介質(zhì)中帶電粒子在電場(chǎng)作用下以不同速度向電荷相反方向遷移的現(xiàn)象，利用這種現(xiàn)象對(duì)化學(xué)或生物組分進(jìn)行分析分離的技術(shù)稱之為電泳技術(shù)。毛細(xì)管電泳泛指在極細(xì)的毛細(xì)管內(nèi)實(shí)現(xiàn)的一大類電泳技術(shù)。幾十年來(lái)毛細(xì)管電泳作為一種非常重要的分離技術(shù)已對(duì)生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展起到了極其重要的作用。96根陣列毛細(xì)管電泳的實(shí)用化大大加快了舉世矚目的人類基因工程的進(jìn)程，使之由原定的2005年提前到2000年基本完成。
CE是從70年代末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的分析技術(shù)，首先在氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子的分離分析方面得到應(yīng)用。由于CE具有進(jìn)樣體積?。?0um）、樣品分析范圍寬、分離效率高（柱效可達(dá)100萬(wàn)塔板數(shù)）、分離速度快（<10-- 20min）、檢出極限（< 10-15----1028mol/l）、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、儀器價(jià)格低等特點(diǎn)，它的出現(xiàn)和發(fā)展受到廣泛關(guān)注。

CE的裝置
CE的基本裝置包括高壓電源、毛細(xì)管、柱上檢測(cè)器、供毛細(xì)管兩端插進(jìn)又和電源相連的兩個(gè)儲(chǔ)液瓶 。

基本原理
    毛細(xì)管電泳是以高壓電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力，以毛細(xì)管為分離通道，根據(jù)樣品中各組分之間淌度和分配行為上的差異來(lái)進(jìn)行分離的一類液相分離技術(shù)。

CE所用的石英毛細(xì)管在PH>3時(shí)，其內(nèi)表面帶負(fù)電，和溶液接觸形成一雙電層。在高壓作用下，雙電層中的水合陽(yáng)離子層引起溶液在毛細(xì)管內(nèi)整體向負(fù)極活動(dòng)，形成電滲流。同時(shí)，帶電離子在電場(chǎng)作用下，以不同 的速度向其相反的方向遷移的現(xiàn)象稱為電泳。帶電粒子在毛細(xì)管內(nèi)電解質(zhì)溶液中的遷移速度即是電泳和電滲流的矢量和。

按毛細(xì)管內(nèi)分離介質(zhì)和分離原理的不同，現(xiàn)可將其分為六種模式：
（1）毛細(xì)管區(qū)帶電泳(CZE)
    它是基于被分離物質(zhì)的核質(zhì)比間的差異來(lái)進(jìn)行的分離。即它只能分離帶電物質(zhì)，而不能分離中性分子。
（2）毛細(xì)管凝膠電泳(CGE)
    它是用凝膠作為毛細(xì)管中的支持物，起到分子篩的作用，將不同體積的溶質(zhì)分子分離開(kāi)。該法是所有CE中柱效最高的一種分離方法。在DNA的解析分離中曾采用。
（3）毛細(xì)管膠束電動(dòng)色譜(MECC)
    采用表面活性劑在運(yùn)動(dòng)緩沖液中形成一疏水內(nèi)核、外部帶負(fù)電的動(dòng)態(tài)膠束相，利用溶質(zhì)具有不同的疏水性，在水相和膠束相間分配的差異進(jìn)行分離。它即可分離中性組分也可分離帶電組分。
（4）毛細(xì)管等電聚焦(CIEF)
  根據(jù)兩性電解質(zhì)在毛細(xì)管內(nèi)建立PH梯度，使各具有不同等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)在電場(chǎng)作用下遷移到等電點(diǎn)的位置，形成窄的聚焦區(qū)帶。該法以成功的測(cè)試了蛋白質(zhì)、氨基酸、肽等電點(diǎn)，分離異構(gòu)體。
（5）毛細(xì)管等速電泳(CITP)
    該法采用先導(dǎo)電解質(zhì)和尾隨電解質(zhì)，按待測(cè)組分的電泳淌度不同得以分離。
（6）毛細(xì)管電色譜(CEC)
    該法是將HPLC中從多的固體微粒填充到毛細(xì)管中，以樣品與固定相之間的相互作用為分離機(jī)制，以電滲流為相驅(qū)動(dòng)力的色譜過(guò)程。該法比一般的HPLC分離度高，常用于分離小分子。

毛細(xì)管電泳的優(yōu)點(diǎn):

（1）儀器簡(jiǎn)單、便于自動(dòng)化
    與HPLC儀相比，CE儀省往泵、梯度混合裝置和進(jìn)樣閥，不需要特殊的檢測(cè)池，這樣，CE儀的構(gòu)成就非常簡(jiǎn)單。最基本的配置只需一個(gè)高壓電源、一根毛細(xì)管、兩只緩沖槽和一個(gè)檢測(cè)器及記錄儀。
（2）分離模式多樣化
    CE的多種不同的操縱方式都可以在同一臺(tái)CE儀上實(shí)現(xiàn)，可以針對(duì)不同的分析對(duì)象，選擇BGE及毛細(xì)管內(nèi)填充物和分離模式。
（3）分離效率高、速度快
    由于CE使用的細(xì)管徑毛細(xì)管散熱和抑制對(duì)流的能力強(qiáng)，所以可以施加比傳統(tǒng)電泳高得多的電壓，反而進(jìn)步了分離效率，縮短了分析時(shí)間。
（4）應(yīng)用范圍廣
    CE具有多種分離方式且往往結(jié)合了電泳和色譜的分離機(jī)制，應(yīng)用范圍極為廣泛。在簡(jiǎn)單離子和小分子化合物（包括中性分子）的分離分析方面可以與HPLC相媲美，在生物大分子分析方面CE則略占上風(fēng)，而且它與HPLC所提供的信息是不同的，可以互相補(bǔ)充。
（5）分析本錢低
    CE使用的石英毛細(xì)管可以反復(fù)使用。其體積只有幾u(yù)L，分析過(guò)程中的體積速度又很小，不象HPLC必須消耗大量的溶劑。使用的BGE濃度很低。
（6）樣品消耗少
    CE的柱容量低，必須保持較小的進(jìn)樣體積（ <20nL）和較低的樣品濃度(10-6--10-5mol/L)以防超載，所以樣品的消耗少，每次實(shí)際進(jìn)樣量在ng以下。對(duì)于分析珍貴的樣品，如基因工程產(chǎn)品極為有利。
（7）方法建立比較簡(jiǎn)單
    由于目前CE多在開(kāi)管方式下進(jìn)行，一般只需進(jìn)行BGE種類、濃度和PH以及添加劑的選擇和優(yōu)化。操縱模式的更換也比較方便。
（8）樣品預(yù)處理比較簡(jiǎn)單
    CE多使用開(kāi)管柱，不必?fù)?dān)心柱污染。對(duì)一些生化樣品可以直接進(jìn)樣、對(duì)樣品預(yù)處理遠(yuǎn)比HPLC簡(jiǎn)單、對(duì)稀樣品有時(shí)可以在進(jìn)樣過(guò)程中濃縮和富集。

2.芯片上CE生物樣品的分離

芯片上的CE是在常規(guī)CE原理和技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用微型制造技術(shù)在平方厘米級(jí)大小的芯片上刻蝕出扁平的管道和其它功能單元，通過(guò)不同的管道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和布局，實(shí)現(xiàn)樣品的分離分離技術(shù)。
微流控芯片電泳可以用于分離包括DNA、蛋白質(zhì)、糖和各種小分子在內(nèi)的不同對(duì)象，并將會(huì)用于藥物篩選、臨床診斷、功能基因分析、細(xì)胞計(jì)數(shù)等領(lǐng)域。芯片電泳潛伏本錢低、體積小、速度快、易于實(shí)現(xiàn)高通量。本文的樣品涉及到以下幾個(gè)方面：

單核苷酸多態(tài)性及臨床應(yīng)用
   林柄承等根據(jù)毛細(xì)管篩分電泳中不同篩分介質(zhì)，同一篩分介質(zhì)中不同濃度以及不同添加劑對(duì)DNA分離的影響，對(duì)以羥丙基甲基纖維素為基礎(chǔ)的篩分截止進(jìn)行研究，并予改進(jìn)和優(yōu)化。考察了甘露醇、葡萄糖等不同添加劑對(duì)篩分能力的影響，開(kāi)發(fā)了一系列全新的，以甘露醇添加劑為特征，具有超低粘度和高分辨率的毛細(xì)管電泳無(wú)膠篩分介質(zhì)。對(duì)毛細(xì)管電泳在醫(yī)學(xué)基因診斷的各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的、有一定覆蓋面的研究。和協(xié)和醫(yī)院合作研究的結(jié)果表明，所發(fā)展的毛細(xì)管電泳無(wú)膠篩分介質(zhì)已能夠較為普遍地應(yīng)用于基因突變的檢測(cè)和基因的家系連鎖分析，代表性的工作是苯丙酮尿癥（PKU）。

蛋白質(zhì)分析
蛋白質(zhì)研究的典型做法是：用液相色譜收集蛋白質(zhì)，用二維電泳對(duì)蛋白質(zhì)作雙向分離，把分離帶刮下，酶解，再用毛細(xì)管電泳作肽圖，然后通過(guò)毛細(xì)管電泳—質(zhì)譜作肽序列測(cè)定并將所得的數(shù)據(jù)和已有數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)照。要對(duì)細(xì)胞內(nèi)的所有蛋白質(zhì)作這樣的測(cè)定是一項(xiàng)工作量不下于人類基因組工程的巨大工程，需要世界范圍內(nèi)朝野一致的努力。林柄承等[3]開(kāi)展了對(duì)抗乙肝抗體、人血胃泌素、腦垂體組織培養(yǎng)液中的蛋白質(zhì)，以及干擾素等進(jìn)行分析，并進(jìn)一步把這方面的工作擴(kuò)大到血液代制品，為人類蛋白質(zhì)組工程積累了經(jīng)驗(yàn)。

蛋白質(zhì)和其它分子的相互作用
用不同的親和毛細(xì)管電泳、手性毛細(xì)管電泳和其它電泳模式系統(tǒng)研究了蛋白質(zhì)-單一大分子配體、蛋白質(zhì)-單一小分子配體，以及蛋白質(zhì)-一個(gè)以上小分子配體之間的相互作用，其中包括tRNA合成酶和tRNA、凝集素-糖、血清蛋白-鐵、血清蛋白-血紅素、人血清白蛋白（HAS）-卟啉以及人血清白蛋白-多元手性藥物的相互作用。在對(duì)后者的研究中，觀察到了藥物之間的頂替和協(xié)同作用。

單分子
   芯片電泳技術(shù)正和快素發(fā)展的激光誘導(dǎo)熒光（LIF）、電子偶合器件（CCD ）等技術(shù)相結(jié)合逼近人類熟悉的另一個(gè)重要極限。在單分子層面上對(duì)不同物質(zhì)實(shí)行分離檢測(cè)。將芯片電泳與單分子檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，更重要的是給單分子檢測(cè)引進(jìn)一種機(jī)器重要的分離手段，不但毛細(xì)管電泳的知識(shí)積累可以轉(zhuǎn)移到單分子水平上重新熟悉，也使芯片電泳技術(shù)擁有更廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景，尤其在生物幾醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

3.毛細(xì)管電泳的發(fā)展趨勢(shì)
21世紀(jì)將是生命科學(xué)大發(fā)展的世紀(jì)，chip是將CE發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，將一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的工作集成到一塊很小的芯片上，是儀器微型化。另一方面，96支或更多支毛細(xì)管陣列電泳儀將會(huì)用于藥廠中產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及大量醫(yī)學(xué)臨床。將會(huì)研制適合CE用的各種檢測(cè)器，以進(jìn)行但細(xì)胞和單分子的檢測(cè)。此外，CE在環(huán)境科學(xué)中也會(huì)有較大的發(fā)展余地。

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