微流控芯片技術(shù)因其微型化、自動化、高通量、集成化、快速等優(yōu)勢使得實(shí)驗(yàn)室研究產(chǎn)生革命性的變化，并在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但目前還沒有基于微流控芯片技術(shù)的國產(chǎn)全集成自動化DNA分析儀。

   此篇文章為大家講解微流控技術(shù)在法醫(yī)DNA快速檢測方面的研究進(jìn)展，同時介紹國內(nèi)外全集成式DNA分析的研究狀況。未來，以微流控芯片為主導(dǎo)的全自動、便攜式、集成式、集成化的DNA分析系統(tǒng)，將使得法醫(yī)DNA檢驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)案件現(xiàn)場甚至日常生活，實(shí)現(xiàn)真正快速即使檢驗(yàn)。

傳統(tǒng)的法醫(yī)DNA檢測過程包括生物檢才提取、DNA提取和定量、PCR復(fù)合擴(kuò)增、毛細(xì)管電泳等，整個過程大約需8~10h，不僅耗時耗力，需購置特定的實(shí)驗(yàn)儀器，大多步驟以及反應(yīng)之間的轉(zhuǎn)換需手工操作，而且需要專業(yè)人員進(jìn)行操作。從根本上解決日益緊迫的DNA物證檢驗(yàn)量、集成化和自動化是必然選擇。從20世紀(jì)90年代逐漸興起的微流控芯片技術(shù)具有體積小、樣本和試劑消耗少、分析成本低、分析速度快，易于實(shí)現(xiàn)操作流程集成化和自動化等諸多優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)法醫(yī)DNA快速分析開辟了一條新途徑。

諸多學(xué)者從微流控技術(shù)角度出發(fā)，對涉及DNA快速檢測，包括芯片DNA提取、芯片PCR擴(kuò)增、毛細(xì)管芯片電泳及集成式芯片等各方面進(jìn)行了研究。

1、芯片DNA提取技術(shù)

   芯片DNA提取技術(shù)方面，傳統(tǒng)的DNA提取方法需要多次震蕩、離心、轉(zhuǎn)移等，操作費(fèi)時，不易整合到芯片上，更不適合DNA的快速檢驗(yàn)。國內(nèi)，研究人員應(yīng)用PMMA芯片制作了非填充式DNA提取芯片，從血中提取DNA且能夠滿足后續(xù)PCR的需要。后來國內(nèi)研究人員研究了PDMS芯片DNA微分析系統(tǒng)，將磁珠固相提取技術(shù)與微流控芯片相結(jié)合，成功完成大腸桿菌熱裂解、DNA提取至PCR擴(kuò)增的全過程，為單芯片上集成多功能提供了可能。更有研究者開發(fā)了其他在芯片上的提取方法，例如基于pH誘導(dǎo)的靜電吸附DNA提取、基于UV活化的聚碳酸酯表面的DNA提取、基于納米多孔濾膜的DNA提取。

2、芯片PCR擴(kuò)增技術(shù)

   PCR芯片根據(jù)其液體流動方式可分為微反應(yīng)腔式PCR芯片和連續(xù)流動式PCR芯片。其中，微反應(yīng)腔PCR芯片實(shí)際上是傳統(tǒng)PCR的微型化，將反應(yīng)混合物固定在微反應(yīng)池內(nèi)，通過外部對其不斷加熱與制冷來實(shí)現(xiàn)溫度循環(huán)，該種芯片具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作成一次性、集成度高、易于整合其他功能芯片的特點(diǎn)。連續(xù)流動式PCR芯片，是將反應(yīng)混合物于3個恒溫區(qū)內(nèi)連續(xù)流動，沒流過3個溫區(qū)即完成一次擴(kuò)增，具有反應(yīng)速度快、擴(kuò)增時間短的特點(diǎn)。

    后來研究人員為了實(shí)現(xiàn)多個樣本的同時擴(kuò)增，研究人員在設(shè)計的PMMA多通道擴(kuò)增芯片上，利用快速DNA酶和紅外擴(kuò)增系統(tǒng)，39min就能夠同時完成最多個樣本的STR擴(kuò)增，不僅提高了檢測通量，而且縮短了DNA分型時間，同時降低了每個樣本的檢測成本，更體現(xiàn)出微流控技術(shù)在法醫(yī)DNA快速分析的優(yōu)勢。

3、毛細(xì)管芯片電泳技術(shù)

   毛細(xì)管芯片電泳技術(shù)，早期主要集中在芯片毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣方式、流體控制及影響分離柱效的因素等基礎(chǔ)性研究工作中。后來，Mathies實(shí)驗(yàn)室搭建了具有4通道的微陣列芯片電泳裝置，在有效分離長度為10cm的芯片上實(shí)現(xiàn)9個STR基因座的分離，該裝置的檢測限為25個拷貝。2010年，同一實(shí)驗(yàn)室又開發(fā)出集成PCR擴(kuò)增的便攜式共聚焦熒火掃描的多通道毛細(xì)管電泳檢測平臺，能夠在分離長度為7cm的芯片上同時完成96個樣本的檢測，檢出限為20pmol/L。

目前，芯片毛細(xì)管電泳已從實(shí)驗(yàn)研究階段逐步向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。已能夠?qū)崿F(xiàn)對DNA、RNA、蛋白質(zhì)等高通量的分離分析。

4、集成式芯片

    在集成式芯片研究方面，盡管將法醫(yī)DNA分析全流完成集成于一體存在很大挑戰(zhàn)，但是一些研究者已嘗試?yán)梦⒘骺叵到y(tǒng)將各種步驟與芯片毛細(xì)管電泳相結(jié)合。

    2014年，Delphine等在前期工作基礎(chǔ)上，成功研發(fā)出用于法醫(yī)個體識別的全集成式的微流控芯片，該芯片由塑料制成，包括基因分型全過程：一種獨(dú)特酶反應(yīng)液的DNA制備、紅外非接觸式PCR擴(kuò)增及高分辨率的電泳分離，并證明了2h能夠從口腔拭子和FTA卡樣本得到18個STR基因座分型，且檢測結(jié)果和傳統(tǒng)方法完全一致。

    近幾年微流控芯片技術(shù)在DNA快速檢測方面取得了突破性進(jìn)展，引起產(chǎn)業(yè)界的很大關(guān)注，國外推出的3款商業(yè)化的快速檢測儀器，以滿足法醫(yī)DNA現(xiàn)場即時檢驗(yàn)的需求，但國內(nèi)尚屬空白，因此，我們期待我國科研人員加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)化意識，積極革新技術(shù)，自主開發(fā)一款適于我國DNA快速檢驗(yàn)的低成本、高通量、便攜式的現(xiàn)場快速檢測儀器，以提升在全集成式DNA快速檢驗(yàn)的國際競爭力。