1.細(xì)胞培養(yǎng)  

人類對細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、組成和功能的了解，絕大多數(shù)是建立在大量細(xì)胞的系綜平均結(jié)果基礎(chǔ)上的。然而，許多生命現(xiàn)象無法簡單地從系綜平均上得以理解和闡明，少量細(xì)胞乃至單個細(xì)胞層次上進(jìn)行生命科學(xué)的研究尤為重要。絕大多數(shù)細(xì)胞的大小位于微米尺度，與微流控芯片中的通道大小相適應(yīng)，為操縱少數(shù)或者單個細(xì)胞提供了極為便捷的條件。微流控芯片是新一代細(xì)胞研究的重要平臺。微流控芯片所具有的不同操作單元技術(shù)靈活組合、整體可控和規(guī)模集成的特點在用于細(xì)胞研究的過程中主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

① 芯片通道尺寸（通常10 ～ 100 μm）與典型哺乳類細(xì)胞直徑大?。?/span>10 ～ 20 μm）相匹配，利于單細(xì)胞的操縱和分析；

② 芯片的多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成相對封閉的環(huán)境， 與生理狀態(tài)下細(xì)胞的空間特征接近；

③ 芯片通道微尺度下傳熱及傳質(zhì)較快，可提供有利的細(xì)胞研究環(huán)境；

④ 芯片可滿足高通量細(xì)胞分析的需要, 有可能同時獲取大量的生物學(xué)信息；

⑤ 芯片的多種單元技術(shù)的靈活組合使集成化的細(xì)胞系統(tǒng)研究成為可能，細(xì)胞進(jìn)樣、培養(yǎng)、分選、裂解和分離檢測等過程都可在芯片上完成。在芯片細(xì)胞培養(yǎng)中，PDMS是采用較多的一種芯片材料，該類材料具有良好的生物相容性，對氣體有一定的通透性，有利于細(xì)胞培養(yǎng)過程中O2和CO2的氣體交換。  

制造能為生物學(xué)研究者樂于接受和易于使用的芯片裝置，是微流控芯片發(fā)展的一個重要方面。威斯康辛大學(xué)的Beebe研究組發(fā)明了一種細(xì)胞培養(yǎng)芯片。他們利用微通道兩端開口處的表面張力差作為驅(qū)動力產(chǎn)生持續(xù)的流動，控制細(xì)胞和相應(yīng)的溶液，還可利用層流效應(yīng)來處理管道中的部分細(xì)胞。該芯片結(jié)合移液器，可進(jìn)行高通量的細(xì)胞培養(yǎng)和實驗。  

Quake等將微生物培養(yǎng)恒化器集成在微流控芯片上，使大腸桿菌的恒化培養(yǎng)的關(guān)鍵步驟（如洗滌、注入、恒化培養(yǎng)、循環(huán)泵流等）實現(xiàn)了自動化。在研究大腸桿菌的基因反饋回路的恒化培養(yǎng)時，發(fā)現(xiàn)該裝置能維持幾百個大腸桿菌的恒化培養(yǎng)長達(dá)幾天。而在通常大容量體系中，桿菌因數(shù)量多會增加基因變異的概率，從而使菌落很快失去基因的自反饋調(diào)節(jié)。相對于傳統(tǒng)方法，該芯片裝置更適合長期進(jìn)行的細(xì)菌恒化培養(yǎng)研究，而且具有單細(xì)胞水平的分辨率。  

哈佛大學(xué)的謝曉亮研究組利用微流控芯片技術(shù)結(jié)合β-半乳糖苷酶基因作為報告基因，應(yīng)用單分子熒光技術(shù)將單個酵母和大腸桿菌細(xì)胞封閉在微流控芯片的微培養(yǎng)腔室中，研究了單個細(xì)胞中蛋白表達(dá)的隨機性。芯片封閉了單個細(xì)菌細(xì)胞的微環(huán)境，既可使β-半乳糖苷酶催化生成的熒光產(chǎn)物迅速地被泵到細(xì)胞外，也可很快在微腔室中積累到足以被檢測的濃度。因此微流控芯片從技術(shù)上彌補了傳統(tǒng)生物學(xué)的不足，為細(xì)胞中隨機過程的研究提供了很好的手段。  

微流控芯片可將各種細(xì)胞操作技術(shù)與電泳過程集成為一體，是實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)（特別是單個細(xì)胞內(nèi)）組分分析的重要技術(shù)平臺。斯坦福大學(xué)的Zare研究組設(shè)計制作了一種多功能集成的單細(xì)胞分析芯片，在芯片中集成了單細(xì)胞的分離、操作、細(xì)胞裂解、熒光標(biāo)記等功能單元，在管道下游用聚焦成線狀的激光來激發(fā)單個分子的熒光并通過高靈敏度的CCD進(jìn)行收集，計數(shù)并分析了單個細(xì)胞內(nèi)極低拷貝數(shù)的蛋白質(zhì)。該方法可對單個細(xì)胞中少于1000個的蛋白質(zhì)分子進(jìn)行計數(shù)，同時通過校正消除PDMS 材料自發(fā)熒光的影響。

2.PCR反應(yīng)      

傳統(tǒng)PCR反應(yīng)包括變性（95℃），退火（65℃）和延伸（72℃）三個步驟，因此芯片至少應(yīng)承受95℃的高溫，而能在120℃條件下長時間使用的PC芯片成為熱塑性聚合物微流控芯片的首選。在片PCR改善了熱能傳輸，提高了熱循環(huán)速度，加快了PCR反應(yīng)速度，降低了昂貴試劑的消耗。含微混合器、閥、泵、微通道、反應(yīng)室、加熱器和DNA微陣列傳感器在內(nèi)的全集成PC芯片，可實現(xiàn)DNA樣品的在片PCR擴增及擴增產(chǎn)物的檢測。其中，生物樣品（如血液）和免疫磁性捕獲微珠溶液裝入樣品室，清洗緩沖液、PCR反應(yīng)液、雜交緩沖液分別裝在各自儲存室內(nèi)。在樣品室內(nèi)完成在片樣品前處理，使血液中的目標(biāo)細(xì)胞被免疫磁性微珠捕獲及預(yù)濃集后，泵入PCR反應(yīng)室，清洗緩沖液泵入PCR室，用于純化捕獲細(xì)胞。將PCR反應(yīng)液引入PCR室，關(guān)閉反應(yīng)室周圍所有微閥，進(jìn)行細(xì)胞熱溶解和PCR反應(yīng)。完成PCR反應(yīng)后，打開微閥，雜交緩沖液將PCR產(chǎn)物帶入檢測室，與靶DNA發(fā)生雜交反應(yīng)，產(chǎn)生電化學(xué)雜交信號及檢測。

Soper SA等設(shè)計了含正方形微通道的PC芯片，用螺釘固定在加熱裝置上，正方形每一邊放置可單獨控溫的加熱塊，加熱塊之間有一定的間隔，以保持各加熱區(qū)的溫度，減少加熱區(qū)間溫度的傳遞。PCR反應(yīng)液采用電動連續(xù)流驅(qū)動的方式進(jìn)入正方形通道，在通道各邊依次加一定電壓形成電動連續(xù)流，推動PCR樣品塞沿正方形通道各邊依次進(jìn)行變性——退火——延伸——復(fù)性，完成PCR反應(yīng)的一個循環(huán)。500 bp的目標(biāo)DNA經(jīng)27個PCR循環(huán)后，其產(chǎn)物被收集在一個液池中，采用PMMA芯片電泳激光誘導(dǎo)熒光檢測，實現(xiàn)了目標(biāo)DNA的在片PCR擴增。

3.基因結(jié)構(gòu)與功能研究  

在DNA片段分析研究中，快速、高效和重現(xiàn)性是芯片DNA分析研究的方向和重點。采用簡單的十字形PMMA微流控芯片，以低粘度的HPMC-50與多羥基聚合物為篩分介質(zhì)，在有效分離通道長度僅為3.0 cm，場強300 V/cm的條件下，170s內(nèi)電泳分離了DNA樣品所有11個片段，其中271 bp和281 bp片段達(dá)到基線分離，快速、高效地實現(xiàn)了DNA片段的分離[23]。Kroutchinina N等采用紫外輻射改性的PC芯片高效、重現(xiàn)地分離了DNA片段。以2% HEC為篩分介質(zhì)，分離通道長2.8 cm，在場強160 V/cm條件下，8 min內(nèi)有效分離了100 bp DNA標(biāo)準(zhǔn)品所有11個片段。通過連續(xù)7次電泳分離DNA pGEM標(biāo)準(zhǔn)品，以676 bp片段峰計, 峰保留時間RSD為0.18%，峰高RSD為2.3%，表明PC芯片電泳分離DNA片段具有較好的可靠性。     

在特定基因序列中，堿基的錯誤插入或缺失會引起基因突變，使基因在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生改變，特定基因的突變常會引起某種遺傳或基因疾病。長度多態(tài)性分析通過測定突變基因PCR產(chǎn)物片段長度的變化，檢測由于堿基插入、缺失引起的基因突變。表面活性蛋白組（SP）B基因的突變會導(dǎo)致肺癌的發(fā)生。野生型SP-B基因片段的長度為600 bp，堿基插入引起的突變基因片段的長度為700 bp左右，堿基缺失引起的突變基因片段的長度為350 bp左右。Baba Y等采用10通道μ-CAE PMMA芯片進(jìn)行鉻中毒導(dǎo)致的肺癌患者SP-B基因片段長度多態(tài)性分析。在160s內(nèi)同時分離測定了用于控制DNA萃取和PCR擴增的脫氫酶基因（300 bp，通道1和2）、野生型SP-B基因（通道5和6）、堿基缺失引起的突變基因（通道3和4）、堿基插入引起的突變基因（通道7）、患者的SP-B基因[野生型SP-B等位基因（600 bp）和堿基缺失引起的突變基因（355 bp），通道8；野生型SP-B等位基因（600 bp）和堿基插入引起的突變基因（716 bp），通道9]和100 bp DNA標(biāo)準(zhǔn)品（通道10）。多通道陣列芯片可快速、高效、高通量進(jìn)行DNA片段分析，適用于大規(guī)?；蚝Y查、臨床早期診斷。

由于基因野生型和突變型在PCR擴增過程中形成的同源雙鏈和異源雙鏈片段在變性溫度上存在微小差異，通過溫度梯度凝膠電泳可將其分離，進(jìn)行基因突變檢測。PC芯片集成微加熱器和溫度傳感器，通過溫度梯度凝膠電泳可實現(xiàn)在片基因突變檢測。通過微加熱器和溫度傳感器陣列對溫度的控制，沿4 cm長的分離通道形成70℃至75℃的溫度梯度。以4.5% PVP為篩分介質(zhì)，在分離場強150 V/m條件下，電泳分離突變基因Mut100經(jīng)PCR擴增后形成四種同源雙鏈和異源雙鏈片段。  

多層芯片制作技術(shù)結(jié)合大規(guī)模集成微閥、微泵和微腔室，可在PDMS芯片中完成從單細(xì)胞分選到mRNA逆轉(zhuǎn)錄成cDNA的基因表型分析。弗吉尼亞大學(xué)的Landers課題組發(fā)明了一種能夠直接接受全血作為分析樣品的集成微流控芯片。該芯片集成了樣品前處理從全血中實現(xiàn)核酸的固相萃取、PCR 擴增和核酸電泳分析3個功能區(qū)域。各個區(qū)域之間以微閥分隔開來，最大程度地避免了上游操作對下游分析的污染。應(yīng)用該芯片檢測出750 nL被炭疽病毒感染的小鼠全血中的炭疽病毒DNA，且僅用1 μL鼻腔提取液確診了一名患者體中的百日咳病毒。全部分析過程只用了不到30 min，展示了“樣品進(jìn)-結(jié)果出”（sample-in-answer-out）的全集成式微流控芯片的分析能力。

微流控芯片技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，已經(jīng)從最初單純的毛細(xì)管電泳的微型化技術(shù)，演變成為一種涵蓋了從基礎(chǔ)生物技術(shù)到生物醫(yī)學(xué)診斷等各個領(lǐng)域的富有活力的工具性方法平臺。隨著微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控芯片技術(shù)與其他的代表性技術(shù)會在更為廣泛的研究領(lǐng)域中交叉滲透，快速發(fā)展，而且也會更加直接地深入到人們的日常生活甚至平常使用的器件當(dāng)中。阻礙微流控技術(shù)發(fā)展的瓶頸包括制造加工、集成度以及與宏觀系統(tǒng)的接口等應(yīng)用方面的問題。今后微流控芯片會朝著分析成分的多樣化、制作基材的多樣化、研究方法的多樣化和系統(tǒng)的微型化與集成化的方向發(fā)展。集中在大規(guī)模、高通量、低消耗的生命科學(xué)和分析化學(xué)實驗中，包括單細(xì)胞培養(yǎng)與分析、干細(xì)胞操控與培養(yǎng)、單分子生物物理學(xué)、高通量的細(xì)胞與分子生物學(xué)篩選實驗、藥物發(fā)現(xiàn)、高通量合成生物學(xué)、高通量測序技術(shù)、單細(xì)胞基因組學(xué)等。

汶顥微流控技術(shù)公司提供基于微流控的生物芯片、基因芯片、細(xì)胞芯片。