微流控芯片與體育科技研究
摘要：近年來(lái)，微流控芯片實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)被應(yīng)用到生物化學(xué)技術(shù)的各個(gè)方面，該技術(shù)有可能為后基因組時(shí)代的基因組學(xué)研究提供一個(gè)更為強(qiáng)大的平臺(tái)，并在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域呈現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。如何應(yīng)用這種高通量、高效率、低消耗的芯片技術(shù)為體育科研服務(wù)是一個(gè)值得思考和探究的問(wèn)題，就此進(jìn)行了探討。
1 微流控芯片技術(shù)概述
1．1 微流控芯片
微型全分析系統(tǒng)又稱(chēng)為芯片實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)跨學(xué)科的新領(lǐng)域，是通過(guò)分析化學(xué)、微機(jī)電加工、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、材料科學(xué)及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的交叉實(shí)現(xiàn)化學(xué)分析系統(tǒng)，從試樣處理到檢測(cè)的整體微型化、自動(dòng)化、集成化與便攜化。微流控分析芯片是微型全分析系統(tǒng)的主要組成部分，是以常規(guī)毛細(xì)管電泳原理為基礎(chǔ)，通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)將微管道、微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測(cè)元件、窗口和連接器等功能元器件像集成電路一樣，使它們集成在芯片材料(基片)上，實(shí)現(xiàn)樣品進(jìn)樣、分離、反應(yīng)乃至在片檢測(cè)的微全分析系統(tǒng)。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)微結(jié)構(gòu)為特征，以生命科學(xué)為目前主要應(yīng)用對(duì)象。
微流控芯片的早期形式是芯片毛細(xì)管電泳。根據(jù)芯片材料的不同可分為硅芯片、玻璃芯片、石英芯片、高聚物芯片和復(fù)合材料芯片；根據(jù)功能的不同可分為高分辨分離芯片、微采樣芯片、微檢測(cè)芯片、細(xì)胞分析芯片、前處理芯片、化學(xué)合成芯片、多功能集成化芯片。每一個(gè)芯片實(shí)驗(yàn)室都將被賦予一定的功能，因此形成功能芯片系統(tǒng)，大體包括三個(gè)部分：一是芯片；二是信號(hào)的檢測(cè)收集裝置；三是包含有實(shí)現(xiàn)芯片功能化方法和材料的試劑盒。所涉及到的部件包括：和進(jìn)樣及樣品處理有關(guān)的透析、膜、固相萃取、凈化；用于流體控制的微閥(包括主動(dòng)閥和被動(dòng)閥)、微泵(包括機(jī)械泵和非機(jī)械泵)；微混合器、微反應(yīng)器、微通道和微檢測(cè)器等。其制作工藝包括芯片的基體加工及表面加工、鍵合和粘接等。
微流控芯片把整個(gè)生化驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集成在微芯片上，且可多次使用。因此具有廣泛的適用性。微芯片分析系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅可使珍貴的生物試樣與試劑消耗大大降低到微升甚至納升級(jí)，而且使分析速度成百倍地提高，費(fèi)用也相應(yīng)下降，從而為分析測(cè)試技術(shù)的普及創(chuàng)造了條件。近年來(lái)，微流控芯片技術(shù)在以下幾方面得到了發(fā)展：微流控分析系統(tǒng)從以毛細(xì)管電泳分離為核心分析技術(shù)發(fā)展到液－液萃取、過(guò)濾、無(wú)膜擴(kuò)散等多種分離手段，具有廣泛的應(yīng)用前景；微流控分析系統(tǒng)從單道檢測(cè)發(fā)展到多重平行檢測(cè)；微全分析系統(tǒng)從成分分析工具發(fā)展到包括在線檢測(cè)的微型化學(xué)反應(yīng)與合成手段；在新藥物篩選中顯示出強(qiáng)大的生命力；微流控分析系統(tǒng)具有多種檢測(cè)手段，如電化學(xué)、質(zhì)譜、原子光譜、光聲光譜、化學(xué)發(fā)光等。由此可見(jiàn)，微流控芯片在生物化學(xué)分析中具有顯著優(yōu)勢(shì)，這種生化檢測(cè)可以提高分析速度，增加分析效率，減少樣本和試劑的消耗，排除人為干擾，防止污染以及完成自動(dòng)高效的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。分析系統(tǒng)的微型化可以使野外實(shí)驗(yàn)室變得很簡(jiǎn)單，芯片實(shí)驗(yàn)室的潛在應(yīng)用范圍包括高效篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床監(jiān)測(cè)、空間生物學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)分析、生物戰(zhàn)爭(zhēng)試劑檢測(cè)、高效DNA檢測(cè)等。
1．2 微流控芯片與基因芯片
20世界90年代初由瑞士的Manz和Widmer提出了以微機(jī)電加工技術(shù)(microelectro－mechanical systems，MEMS)為基礎(chǔ)的“微型全分析系統(tǒng)”(micrototal analysis systems，μTAS)。μTAS可以分為芯片式與非芯片式兩大類(lèi)，其目的是通過(guò)化學(xué)分析設(shè)備的微型化與集成化，最大限度的把分析實(shí)驗(yàn)室的供能轉(zhuǎn)移到便攜式的分析設(shè)備中。目前，芯片式是發(fā)展的重點(diǎn)，即最大限度地把分析實(shí)驗(yàn)室的供能集成到方寸大小的芯片上，實(shí)現(xiàn)所謂的“芯片實(shí)驗(yàn)室”(lab-on a-chip，IDC)。在芯片式μTAS中，依據(jù)芯片結(jié)構(gòu)及工作原理又可以分為微陣列芯片和微流控芯片。微陣列芯片目前的應(yīng)用對(duì)象是DNA分析，也稱(chēng)DNA芯片、基因芯片或生物芯片。生物芯片技術(shù)的實(shí)施包含三個(gè)基本元素：1)生物探針?lè)肿拥墨@得；2)探針?lè)肿拥谋砻婀潭ê蛯?duì)樣品的識(shí)別；3)識(shí)別結(jié)果的檢測(cè)和分析。有關(guān)基礎(chǔ)研究始于20世紀(jì)80年代末，主要是在生物遺傳學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。而微流控分析芯片是1990年提出的μTAS主要發(fā)展方向，主要是在分析化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。在目前的學(xué)術(shù)刊物中，微全分析系統(tǒng)(μTAS)和微流控芯片(microfluidic chip)指的是同一個(gè)概念。其目標(biāo)是把整個(gè)化驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集成在可多次使用的微芯片上。因此較微陣列芯片應(yīng)有更廣泛的適用性及應(yīng)用前景。
1．3微流控芯片的應(yīng)用
目前微流控芯片已突破其發(fā)展初期在加工技術(shù)即基本流控技術(shù)上的主要難關(guān)，正在進(jìn)入一個(gè)開(kāi)展更深入的基礎(chǔ)研究、廣泛擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，及深度產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)折時(shí)期。這種微型化、集成化的微流控芯片氨基酸和蛋白質(zhì)的分離、免疫分析、DNA分析和測(cè)序、生物細(xì)胞研究等方面顯示出巨大的潛力。這必將對(duì)疾病診斷和治療、新藥開(kāi)發(fā)、食品衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。
1．3．1蛋白質(zhì)分析
微流控芯片的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的微流控電泳芯片，通過(guò)在玻璃片或硅片上設(shè)置各種微泵、微閥、微電泳以及微流路，可將生化實(shí)驗(yàn)室的分析功能濃縮固化在蛋白質(zhì)芯片上，然后在電場(chǎng)作用下，樣品中的蛋白質(zhì)通過(guò)芯片上的孔道分離開(kāi)來(lái)，經(jīng)噴霧直接進(jìn)入質(zhì)譜儀中進(jìn)行檢測(cè)，以確定樣品中蛋白質(zhì)的分子量及種類(lèi)。除了蛋白質(zhì)以外，對(duì)更為復(fù)雜的糖蛋白的芯片測(cè)定也已開(kāi)始，用電泳技術(shù)結(jié)合蛋白酶和糖苷酶對(duì)蛋白質(zhì)的處理，在芯片實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行糖蛋白中糖鏈分析的方法已建立。徐良基等利用微流控芯片技術(shù)制作石英玻璃材料的微流控芯片，在自行研制的紫外可見(jiàn)吸收檢測(cè)系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了芯片上對(duì)牛血清蛋白BSA、人免疫球蛋白IgG和人轉(zhuǎn)鐵蛋白TRF及它們的混合溶液的分離檢測(cè)，結(jié)果重復(fù)性較好。王惠民等依據(jù)電荷和分子量的不同，利用微流控芯片技術(shù)，在2～3 min內(nèi)檢測(cè)到38例尿蛋白陽(yáng)性患者中，溢出性蛋白尿3例、選擇性蛋白尿9例、非選擇性蛋白尿26例，8例健康對(duì)照未檢出蛋白峰。
1．3．2免疫分析
免疫分析是利用抗原和抗體之間的特異性反應(yīng)來(lái)選擇性識(shí)別和測(cè)定作為抗體或抗原的待測(cè)物。經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用與發(fā)展，免疫分析已經(jīng)成為臨床診斷、生物醫(yī)藥以及環(huán)境化學(xué)研究中一種有力的分析手段。降低樣品和試劑的消耗量，提高分析速度是免疫分析的重要目標(biāo)。在微流控芯片上進(jìn)行免疫分析是對(duì)毛細(xì)管電泳免疫分析技術(shù)的重大革新。這種微片裝置是在微型的玻璃片或者硅芯片上采用化學(xué)刻蝕等技術(shù)產(chǎn)生一些微小的通道來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的毛細(xì)管作為電泳分析的場(chǎng)所。這種開(kāi)放式的通道結(jié)構(gòu)使得在很短的分析長(zhǎng)度內(nèi)就可以滿足分析需求，可以大大縮短整個(gè)分析所需的時(shí)間，并可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)合適的芯片。芯片上可以很容易地刻蝕上很密集的分析通道的陣列，并可高精度地復(fù)制生產(chǎn)，大大增加了分析通量。因此，免疫分析在微流體系統(tǒng)中的應(yīng)用已受到廣泛的關(guān)注。
1．3．3 DNA分析及測(cè)序
微流控芯片可用于迅速分離DNA限制性片段PCR產(chǎn)物，比常規(guī)的毛細(xì)管電泳分離要快得多。把β珠蛋白的PCR擴(kuò)增反應(yīng)縮微集成到硅芯片上，目的基因進(jìn)行15 min的擴(kuò)增，然后僅用2 min就可完成PCR產(chǎn)物的分離，整個(gè)分析過(guò)程不到20 min?；旌蠘悠范郟CR產(chǎn)物電泳芯片分離，可同時(shí)分析10個(gè)以上PCR反應(yīng)產(chǎn)物，尤其適用于基因作圖分析，以及遺傳性疾病診斷。在微流控芯片上觀察熒光標(biāo)記DNA的重復(fù)三聯(lián)體序列，分離速度是常規(guī)毛細(xì)管電泳的十幾倍。此外，常規(guī)DNA測(cè)序需要制備微升級(jí)的樣品，試劑消耗量大。將納升級(jí)的樣品制備系統(tǒng)縮微到芯片上進(jìn)行測(cè)序，可在分離前除去多余的引物、鹽分、核苷酸等，所用測(cè)序體積是Sanger雙脫氧鏈終止法的1／300，測(cè)序成本明顯降低，而且可進(jìn)行固相測(cè)序。將微流控芯片四色標(biāo)記法用于DNA測(cè)序，可在540 s分離150個(gè)堿基，準(zhǔn)確率在97％以上。用高分子材料制作的微流控－微陣列芯片，可以用于核酸雜交并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。而且微流控－微陣列體系還可以檢測(cè)雜交反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性。
1．3．4細(xì)胞培養(yǎng)與檢測(cè)
單細(xì)胞分析對(duì)重大疾病的早期診斷、治療和藥物篩選以及細(xì)胞生理、病理過(guò)程的研究有重要意義。微流控分析芯片的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和微米級(jí)的通道尺寸使簡(jiǎn)化單細(xì)胞分析成為可能。微流控芯片系統(tǒng)用于細(xì)胞分析是近年來(lái)該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，已引起較廣泛的關(guān)注。利用微全分析系統(tǒng)高度微型化、集成化和設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)和精密加工能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞的培養(yǎng)、凋亡及檢測(cè)等功能，如細(xì)胞操作，綠色熒光蛋白的表達(dá)，基因轉(zhuǎn)染，細(xì)胞活性測(cè)試，細(xì)胞分離，細(xì)胞內(nèi)鈣離子的測(cè)量，激素分泌監(jiān)測(cè)以及高通量的細(xì)胞含量分析等。目前，微流控：片系統(tǒng)已被應(yīng)用在血液流變學(xué)、單細(xì)胞操縱與計(jì)數(shù)以及單細(xì)胞胞內(nèi)組分分析等多方面。在微流控芯片通道中，人們利用氣壓、液壓和電壓，或利用介電電泳、光學(xué)陷阱、行波介電電泳以及磁場(chǎng)等技術(shù)，可以操縱細(xì)胞通過(guò)或駐留在通道內(nèi)的任意位置，從而使單細(xì)胞計(jì)數(shù)、篩選以及胞內(nèi)組分分析等操作大大簡(jiǎn)化。
1．3．5藥物篩選
藥物篩選是現(xiàn)階段新藥開(kāi)發(fā)的主要途徑。高通量藥物篩選是近10年來(lái)發(fā)展起來(lái)的藥物篩選的新的技術(shù)體系。微流控芯片實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)藥物篩選的基本原理是以酶標(biāo)為例，即令酶和一種熒光標(biāo)記的底物反應(yīng)，使之產(chǎn)生一種熒光產(chǎn)物，用芯片電泳將這一熒光產(chǎn)物和熒光底物或其他熒光本底分離開(kāi)來(lái)。這種方法已經(jīng)用于蛋白激酶．磷酸酶、蛋白酶、細(xì)胞色素和磷酸單脂酶等，芯片上的分離只需幾秒，通常變異系數(shù)小于10％。用于藥物篩選微流控芯片裝置有兩大類(lèi)，一類(lèi)是一次性使用芯片，它采用類(lèi)似于噴墨打印機(jī)的微散射法，把樣品和試劑注入芯片的一組通道；另一種以連續(xù)流法為基礎(chǔ)，它將樣品的注射過(guò)程、混合過(guò)程和功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程在芯片上集成于一體。
微流控裝置的用途廣泛，但目前流行的微流控裝置最大的不足之處是它們需要大量輔助的外部設(shè)備，體積龐大且成本很高，這就極大地限制了它的應(yīng)用?？朔@些困難的一個(gè)途徑就是將所需試劑裝配并存儲(chǔ)于微流控體系內(nèi)部，真正實(shí)現(xiàn)“l(fā)ab-on-a-chip”。有學(xué)者預(yù)計(jì)，最晚到2008年，以微流控芯片為核心的微分析系統(tǒng)將取代當(dāng)前化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室的很多設(shè)備，使化學(xué)分析進(jìn)入病房、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)甚至家庭。在此基礎(chǔ)上再經(jīng)過(guò)三五年，能監(jiān)測(cè)自身生化指標(biāo)及基因變異、食品衛(wèi)生及環(huán)境狀況的便攜式“個(gè)人化實(shí)驗(yàn)室”將可能成為現(xiàn)實(shí)。
2 微流控芯片技術(shù)與體育科技研究
中國(guó)自1984年重返奧運(yùn)大家庭以來(lái)，在奧運(yùn)會(huì)上取得了喜人的成績(jī)。這些成績(jī)的取得與科研人員參與到運(yùn)動(dòng)隊(duì)中開(kāi)展科研攻關(guān)與科技服務(wù)，大大提升科學(xué)化訓(xùn)練的水平密切相關(guān)。在總結(jié)了以往開(kāi)展科研攻關(guān)與科技服務(wù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練比賽中遇到具有共性和基礎(chǔ)性的問(wèn)題，在新的一個(gè)備戰(zhàn)奧運(yùn)會(huì)周期中，提出了10個(gè)領(lǐng)域的科研工作，即運(yùn)動(dòng)員科學(xué)選材、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練科學(xué)化理論與方法的研究與應(yīng)用、優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練監(jiān)控和機(jī)能評(píng)定的研究與應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)員體能恢復(fù)與營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充的研究及應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)員心理咨詢和心理訓(xùn)練理論與方法的研究及應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷與醫(yī)務(wù)監(jiān)督的研究與應(yīng)用、中醫(yī)藥防治運(yùn)動(dòng)性疲勞及傷病的研究與應(yīng)用、反興奮劑的研究與應(yīng)用、體育信息與服務(wù)的研究與應(yīng)用、競(jìng)技體育綜合管理及戰(zhàn)略研究。其中，在運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)領(lǐng)域涉及的主要的熱點(diǎn)問(wèn)題有，運(yùn)動(dòng)損傷的防治、運(yùn)動(dòng)性低血睪酮、運(yùn)動(dòng)性低血色素(運(yùn)動(dòng)性貧血)、運(yùn)動(dòng)性免疫機(jī)能低下等的發(fā)生機(jī)理的研究，以及興奮劑檢測(cè)方法的研究，等等。
隨著教練員、運(yùn)動(dòng)員文化素質(zhì)的提高和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練基地科研條件的改善，借助科技手段輔助訓(xùn)練日益被教練員、運(yùn)動(dòng)員所接受，甚至有些教練員已經(jīng)開(kāi)始嘗試根據(jù)科研人員的科學(xué)檢測(cè)報(bào)告制訂訓(xùn)練計(jì)劃。事實(shí)上，對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行科學(xué)監(jiān)控已成為當(dāng)今運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練(科學(xué))的重要組成部分。目前，常用輔助教練員開(kāi)展訓(xùn)練、評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員體能的指標(biāo)有，血睪酮、皮質(zhì)醇、血乳酸、血紅蛋白、紅細(xì)胞谷胱甘肽和活性氧、血清肌酸激酶、血尿素、IgN、IgA、IgG等，其中，監(jiān)測(cè)血睪酮、皮質(zhì)醇、紅細(xì)胞谷胱甘肽和活性氧等通常須要采集受試者的靜脈血，用分離出的血清與紅細(xì)胞才能完成監(jiān)測(cè)。然而，運(yùn)動(dòng)員和教練員往往不愿接受靜脈取血，因此，研發(fā)微創(chuàng)、微量(采集末梢血)、快速的分析方法檢測(cè)生化指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)化、及時(shí)性地評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員體能具有重要的意義，相關(guān)方法的研究亟待解決。
根據(jù)微流控芯片實(shí)驗(yàn)室所需樣品微量，更具高通量、高效率、短時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，中國(guó)科學(xué)院林秉承等與我們合作，利用微流控芯片技術(shù)進(jìn)行了血睪酮和皮質(zhì)醇聯(lián)合檢測(cè)芯片，血睪酮、皮質(zhì)醇聯(lián)合檢測(cè)芯片分析儀的研發(fā)，目前該工作已完成標(biāo)準(zhǔn)品的檢測(cè)。如果能夠充分發(fā)揮微流控芯片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)出不需要用常規(guī)的靜脈取血分離血清檢測(cè)的方法，而是以末梢微量全血為直接的檢測(cè)樣品的芯片檢測(cè)系統(tǒng)，建立通過(guò)微量的末梢血就可以快速、準(zhǔn)確地完成多項(xiàng)指標(biāo)的同時(shí)檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)員體能監(jiān)控的微創(chuàng)檢測(cè)方法，那么這將是一個(gè)“質(zhì)”的飛躍。這個(gè)飛躍不僅僅會(huì)體現(xiàn)在檢測(cè)方法上，也一定會(huì)體現(xiàn)在提高運(yùn)動(dòng)員體能上。如果能將這種技術(shù)推廣應(yīng)用，必將受到體育科技人員、乃至運(yùn)動(dòng)員和教練員的普遍歡迎，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
另外，利用微流控芯片電泳同時(shí)檢測(cè)細(xì)胞活性氧類(lèi)和谷胱甘肽的技術(shù)、單分子光學(xué)檢測(cè)技術(shù)、基于毛細(xì)管及芯片電泳的分子相互相互作用的研究技術(shù)和基因診斷技術(shù)引等皆有可能作為研究方法，應(yīng)用到體育科研中。
科學(xué)儀器在人類(lèi)的整個(gè)科技的發(fā)展中都起到及其重要的作用，這在近代科技發(fā)展中反映得尤為突出。重大科學(xué)目標(biāo)會(huì)極大地刺激適合其需求的相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，而相應(yīng)的平臺(tái)技術(shù)的突破又能極大地推動(dòng)重大科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。北京2008年奧運(yùn)會(huì)為體育科學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了千載難逢的契機(jī)，同時(shí)競(jìng)技體育也在不斷地給我們提出新的課題。微流控芯片技術(shù)在體育科學(xué)研究中的應(yīng)用前景是廣闊的。
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