微流控芯片在藥物篩分中的應(yīng)用

微流控芯片在藥物篩分中的應(yīng)用第1頁/共34頁

微流控芯片技術(shù)及其應(yīng)用Micofluidicchipanditsapplications第2頁/共34頁What?微流控芯片(Micofluidicchip)又稱芯片實(shí)驗(yàn)室，是利用微加工技術(shù)在芯片上制做微閥、微通道、微反應(yīng)器、微傳感器、微檢測器等功能單元而構(gòu)成的微型化學(xué)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中可完成樣品的前處理、化學(xué)反應(yīng)、分離、檢測等功能。[1-2]體現(xiàn)“微型化、集成化及自動化”思想。組成承載不同功能的微流控芯片支撐芯片流體控制的信號采集、控制和檢測裝置完成芯片功能的試劑盒（試劑盒內(nèi)包含實(shí)現(xiàn)芯片功能化的方法和材料）第3頁/共34頁what?

[7]第4頁/共34頁How?

微流控理論微流控技術(shù)對流體的操作和分析是在微米級結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行的。在小尺寸內(nèi)，流體的慣性效應(yīng)可以忽略，黏度開始顯現(xiàn)并扮演著非常重要的角色，隨機(jī)、無序的流體在較小的設(shè)備中變成了更為平滑的流體（層流），此時的流體可以定義為一種在切應(yīng)力的作用下發(fā)生持續(xù)變形的材料。層流是微流體決定性的特征。第5頁/共34頁How?

微流控理論微流控體系含有三種類型的質(zhì)量傳輸過程：對流、擴(kuò)散和遷移，通常三種質(zhì)量的傳輸過程同時存在。設(shè)計質(zhì)量傳輸過程可控的微流控體系是非常重要的。

對流可由不同作用力產(chǎn)生，如毛細(xì)管效應(yīng)、熱差、重力、機(jī)械泵、加壓氣囊。

遷移是分子在電場中體系質(zhì)量的傳輸。

擴(kuò)散是流體中的一種分子存在濃度差而產(chǎn)生的。第6頁/共34頁How?

流體驅(qū)動方法：壓力驅(qū)動和電滲驅(qū)動。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)壓力驅(qū)動相對經(jīng)濟(jì)可再生1、在微流控設(shè)備的基材上設(shè)計和制備機(jī)械泵比較困難2、拓展相同物質(zhì)分布電滲驅(qū)動速度分布均勻?qū)ξ皆谕ǖ辣诘碾s質(zhì)比較敏感，影響測量結(jié)果壓力驅(qū)動電滲驅(qū)動第7頁/共34頁How?

微型閥：被動閥和主動閥。被動閥利用裝置一側(cè)的壓力阻止液體流過裝置，而另一側(cè)的壓力使隔膜打開，允許流體流過裝置；主動閥需要一個加速器產(chǎn)生制動力來實(shí)現(xiàn)微閥的開關(guān)和切換。被動單向閥（上圖為關(guān)閉狀態(tài)，在右側(cè)施加壓力，使隔膜處于平伏；下圖為打開狀態(tài)，在左側(cè)施加壓力使隔膜處于抬起）第8頁/共34頁Why?1、儀器小型化，多種單元技術(shù)在微小可控平臺上的靈活組合，規(guī)模集成，使用方便；2、試劑用量少、分析速度快、工作效率高、自動化程度高；3、分析費(fèi)用大大降低,從而為分析測試技術(shù)普及到戶外、家庭開辟了一條新路。功能樣品制備與富集樣品注入與控制樣品混和與反應(yīng)樣品分離信號檢測第9頁/共34頁where?微流控芯片常與微時代的其他代名詞如蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)、組合化學(xué)、藥物開發(fā)、超高通量印跡、大量平行合成、甚至生物資訊等密切地聯(lián)系在一起。已應(yīng)用于多種生化分析，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的DNA測序、基因分析、蛋白質(zhì)分析及藥物學(xué)領(lǐng)域里新藥的發(fā)現(xiàn)和組合化學(xué)。[5,6]。第10頁/共34頁where?細(xì)胞分選：微流控芯片用于細(xì)胞的分類計數(shù)，具有很好的重現(xiàn)性，并且可以檢測到直徑小到0.6μm的細(xì)胞。現(xiàn)在一些學(xué)者正在研究基于阻抗、熒光、和激光等對芯片進(jìn)行檢測，例如：光學(xué)動力可用于迅速靈活地控制細(xì)胞在微流控芯片上的路徑；不同導(dǎo)電性細(xì)胞流過計數(shù)器，引起電阻抗的變化。利用阻抗建立了紅細(xì)胞的計數(shù)方法。目前已成功利用完全的光學(xué)開關(guān)，即時篩選和評價了一個熒光活性的微流控細(xì)胞；第11頁/共34頁where?組合合成-藥物篩分組合合成是在很小的區(qū)域內(nèi)短時間構(gòu)建大量化合物簡而有力的一種途徑。例如，通過32次反復(fù)的寡核苷酸的合成，可以在大約一天的時間內(nèi)合成所有65536個包含8個單元的寡糖。這些化合物每一個都被很好地定域在微陣列或生物芯片的一個區(qū)域。同樣，組合途徑可用于縮氨酸的合成，創(chuàng)建一個任意長度的縮氨酸的分類。將組合產(chǎn)品的有限列陣與微試樣和微分離技術(shù)相結(jié)合很有可能產(chǎn)生自動的有機(jī)合成器，該合成器對新藥的開發(fā)是非常有利的。第12頁/共34頁where?組合合成-藥物篩分目前在制藥和生物技術(shù)領(lǐng)域，用于治療老人癡呆癥，肺結(jié)核和炎癥紊亂的先導(dǎo)化合物還處在流水線上，而用于治療痛疼、癌癥、癌細(xì)胞的多向性抗藥、艾滋病、狼瘡和哮喘的組合藥物已處在臨床試驗(yàn)階段。第13頁/共34頁where?藥物篩分中國科學(xué)院大連物理研究所[3]自制了用于高內(nèi)涵篩選的微流控芯片，將細(xì)胞培養(yǎng)、藥物濃度梯度生成、細(xì)胞受激和細(xì)胞響應(yīng)等過程完全集成在一塊幾平方厘米的芯片上，一次運(yùn)行可同時產(chǎn)生64種藥物作用細(xì)胞條件，并可獲得192個細(xì)胞響應(yīng)結(jié)果。第14頁/共34頁where?藥物篩選第15頁/共34頁where?

利用該芯片同時分析了藥物作用后細(xì)胞線粒體膜電勢變化、細(xì)胞核變化、細(xì)胞膜變化以及細(xì)胞內(nèi)氧化-還原狀態(tài)變化。結(jié)果顯示：不同藥物誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡呈現(xiàn)不同劑量效應(yīng)。該項(xiàng)工作體現(xiàn)了微流控芯片的多種單元技術(shù)靈活組合和規(guī)模集成的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的多孔板技術(shù)相比，省去了配制和分配多種藥物不同濃度溶液的繁冗操作，大大簡化了細(xì)胞接種、受激、洗滌和標(biāo)記操作過程，顯著降低了細(xì)胞和試劑的耗量。第16頁/共34頁where?組合合成-材料開發(fā)由于材料的物理行為是非線性的并且具有不可預(yù)料性。例如：陶瓷在高溫時為超導(dǎo)體，而在低于它們的臨界溫度或非理想的化學(xué)計算下為絕緣體；復(fù)合材料有可能承受比從單個組分材料分析所預(yù)期的要大好幾倍的強(qiáng)度和耐壓力。而利用LOCs技術(shù)可以在合成大批材料的同時減少了要考慮的要素，大批材料合成后，接著進(jìn)行快速的平行篩選已獲得所希望的性能。第17頁/共34頁where?組合合成-材料開發(fā)在材料科學(xué)領(lǐng)域，新熒光體化合物的發(fā)現(xiàn)可以使之最終應(yīng)用于熒光照明、平板顯示器和計算機(jī)顯示屏中。目前，已設(shè)計和建立了一個噴墨式組合化學(xué)合成器，發(fā)現(xiàn)了一個新的高效藍(lán)光照明復(fù)合物。第18頁/共34頁展望人們預(yù)測微流控技術(shù)將改革化學(xué)和生物領(lǐng)域中的許多應(yīng)用，如蛋白質(zhì)和基因組學(xué)的研究、高通量和少量樣品的分析、在線環(huán)境分析、臨床診斷、微量合成和反應(yīng)、組合合成以及工業(yè)制作過程中的在線分析。更為詳述的應(yīng)用包括擴(kuò)散系數(shù)、PH值、化學(xué)鍵聯(lián)系數(shù)和酶反應(yīng)動力學(xué)系數(shù)的測量等。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)室的“個人化”、“家用化”，從而使分析科學(xué)及分析儀器從化學(xué)實(shí)驗(yàn)室解放出來，進(jìn)入千家萬戶。第19頁/共34頁

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etal,Solvent-progammedmicrochiPOpen-channelelectrochromatograPhyAnal.Chem,1998.70(15):P.3291一3297[7]王輝,微流控芯片電泳分析基礎(chǔ)研究,2005,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所第20頁/共34頁What?A.微流控芯片結(jié)構(gòu)原理(Schematicillustrationofthefabricatedmicroflu-idicchip);B.微流控芯片成品(Thefabricatedmicrofluidicchip)芯片是微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的核心，它的研究涉及到芯片的基質(zhì)材料、尺寸、設(shè)計、加工和表面修飾等．第21頁/共34頁微型全分析系基質(zhì)材料：單晶硅片、石英、玻璃、陶瓷和有機(jī)聚合物[如聚甲基丙烯酸甲(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚碳酸酯(PC)]等.尺寸：介于宏觀尺度和納米尺度之間微米級加工：20世紀(jì)90年代，傳統(tǒng)的平面制備技術(shù)–光刻和蝕刻，成本高，基底材料受限；復(fù)制成型技術(shù)主要有熱壓成型技術(shù)、注塑成型技術(shù)、澆鑄成型技術(shù)，該技術(shù)更加容易構(gòu)建三維的網(wǎng)絡(luò)通道和組件What?第22頁/共34頁[7]第23頁/共34頁微流控芯片加工方法熱壓成型技術(shù)是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域最為常用的復(fù)制聚合物微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)，其加工過程主要步驟如下：聚合物基片(圓盤或薄片)放置在熱壓裝置中，并在真空環(huán)境下使溫度達(dá)到聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度;壓頭同樣被加熱到相同或略高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度;

第24頁/共34頁微流控芯片加工方法

壓頭以一定壓力壓入聚合物基片，該壓力的大小取決于聚合物基片的結(jié)構(gòu)設(shè)計、基片的材料以及壓頭的材料;壓頭和基片勻速降溫到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，然后再進(jìn)行分離或開模，即得到制品的微結(jié)構(gòu)。

典型熱壓成型系統(tǒng)第25頁/共34頁微流控芯片加工方法注塑成型技術(shù)是微觀領(lǐng)域最廣泛制備聚合物的加工技術(shù)。

注射成型機(jī)切面示意圖最大優(yōu)點(diǎn)：1、可以成型復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)制件；2、不需要額外的機(jī)加工，縮短了成型周期。第26頁/共34頁微流控芯片加工方法澆鑄成型技術(shù)：用光刻和刻蝕等方法先制出帶有微結(jié)構(gòu)的凸模，然后澆鑄液態(tài)聚合物材料。將固化后的高分子材料與凸模剝離便得到具有微通道的芯片。

澆鑄成型過程示意圖澆鑄法成型的微流控芯片微結(jié)構(gòu)顯微照片第27頁/共34頁微流控芯片系統(tǒng)的檢測器質(zhì)譜檢測器

1、電噴霧離子化質(zhì)譜（ESI-MS）2、基質(zhì)輔助激光解析離子化質(zhì)譜（MALDI-MS）電化學(xué)檢測器（熱門研究方向）安培檢測法，電導(dǎo)檢測法，點(diǎn)位檢測法光學(xué)檢測器（使用最多）熒光檢測，吸光檢測，化學(xué)發(fā)光檢測，激光熱透鏡檢測，其中熒光檢測中的激光誘導(dǎo)熒光檢測法（LIF）在微流控芯片系統(tǒng)中最常用?；瘜W(xué)發(fā)光檢測器。第28頁/共34頁激光誘導(dǎo)熒光法（LIF）盡管絕大多數(shù)化合物自身沒有熒光，必須經(jīng)過標(biāo)記后才能用于LIF檢測，但LIF仍然是目前微流控芯片體系中應(yīng)用最為廣泛的首選檢測器。靈敏度較高，一般可達(dá)到10-9mol/L—10-12mol/L。具有良好的選擇性和較寬的線性范圍，并且許多如氨基酸、DNA等重要的生化物質(zhì)樣品均可以用熒光試劑進(jìn)行標(biāo)記。LIF檢測器中又有著共聚焦型和非共聚焦型之分。第29頁/共34頁激光束經(jīng)過透鏡聚光和反射鏡反射，以適當(dāng)?shù)娜肷浣嵌日丈湫酒臋z測區(qū)域，激發(fā)產(chǎn)生的熒光經(jīng)物鏡收集聚光，并由濾光片濾除激發(fā)光和其他雜散光后，用光電倍增管、CCD、LED等光檢測元件進(jìn)行檢測。這種檢測器結(jié)構(gòu)簡單，易微型化但激發(fā)光和雜散光的干擾較大，導(dǎo)致檢測信號的信噪比較差。激光

透鏡反射鏡物鏡濾光片光電倍增管第30頁/共34頁激光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直，由二向色鏡反射并由顯微物鏡聚焦后垂直照射到芯片的檢測區(qū)域，激發(fā)產(chǎn)生的熒光經(jīng)二向色鏡透射，并由與顯微物鏡同軸且共焦的顯微目鏡聚焦，再經(jīng)干涉濾光片進(jìn)一步濾除干擾光后成像在光檢測元件上進(jìn)行檢測。光電倍增管

濾光片針孔

激光二極管

擴(kuò)束

二向色鏡管鏡頭顯微物鏡芯片第31頁/共34頁電化學(xué)檢測雖然LIF法能夠提供分子水平的靈敏度，但對于微流控器件來說這樣的系統(tǒng)體積有些太大了，減弱了由于器件微型化所帶來的好