微流控芯片是以微管道為網(wǎng)絡連接微泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件等既有光、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、分離、檢測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完全不同的學科技術領域，并經(jīng)歷了各自獨立的發(fā)展過程。因生物芯片的應用對象主要是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)展主要來自與現(xiàn)代遺傳學的一些重要發(fā)現(xiàn)，并直接受益于該領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領域發(fā)展起來的，它以分析化學為基礎，以微機電加工技術為依托，以微管道網(wǎng)絡為結(jié)構(gòu)特征，以生命科學為目前主要應用對象，是當前微全分析系統(tǒng)領域發(fā)展的重點。它的目標是把整個化學實驗室的功能集成在微芯片上，且可多次使用。兩者之間是互補與互融合的關系。

九十年代至今，國內(nèi)外學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管電泳方面，其它分離技術涉及較少。微流控芯片上的毛細管電泳（CE）微分離技術已成為當今研究的熱門。由于CE屬于電場驅(qū)動的微管分離，且進樣也能夠通過電場實現(xiàn)，因此相應的技術和裝置就比較輕易微型化，實驗條件在微型化后變化也不大，輕易移植。所以從1991年至今，國際上在其制作工藝方面的進展與其在生物和化學方面快速分析的應用也充分表明了毛細管電泳在微型化上的潛力和可行性。

1. 毛細管電泳（CE）分離技術
電泳作為一種物理現(xiàn)象早在19世紀就被人們所熟悉，電泳作為分離技術始于本世紀初。1907年，F(xiàn)ield和Teague利用瓊脂糖凝膠管實現(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)對同位素進行了分離。1937年Tiselius建立了蛋白質(zhì)的移界電泳方法，將人血清分成幾個成分，因此榮獲了Noble化學獎。
電泳是電介質(zhì)中帶電粒子在電場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)象對化學或生物組分進行分析分離的技術稱之為電泳技術。毛細管電泳泛指在極細的毛細管內(nèi)實現(xiàn)的一大類電泳技術。幾十年來毛細管電泳作為一種非常重要的分離技術已對生命科學的各個領域的發(fā)展起到了極其重要的作用。96根陣列毛細管電泳的實用化大大加快了舉世矚目的人類基因工程的進程，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)展起來的一項新的分析技術，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用。由于CE具有進樣體積?。?0um）、樣品分析范圍寬、分離效率高（柱效可達100萬塔板數(shù)）、分離速度快（<10-- 20min）、檢出極限（< 10-15----1028mol/l）、易實現(xiàn)自動化、儀器價格低等特點，它的出現(xiàn)和發(fā)展受到廣泛關注。

CE的裝置
CE的基本裝置包括高壓電源、毛細管、柱上檢測器、供毛細管兩端插進又和電源相連的兩個儲液瓶 。

基本原理
    毛細管電泳是以高壓電場為驅(qū)動力，以毛細管為分離通道，根據(jù)樣品中各組分之間淌度和分配行為上的差異來進行分離的一類液相分離技術。

CE所用的石英毛細管在PH>3時，其內(nèi)表面帶負電，和溶液接觸形成一雙電層。在高壓作用下，雙電層中的水合陽離子層引起溶液在毛細管內(nèi)整體向負極活動，形成電滲流。同時，帶電離子在電場作用下，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)比間的差異來進行的分離。即它只能分離帶電物質(zhì)，而不能分離中性分子。
（2）毛細管凝膠電泳(CGE)
    它是用凝膠作為毛細管中的支持物，起到分子篩的作用，將不同體積的溶質(zhì)分子分離開。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）毛細管膠束電動色譜(MECC)
    采用表面活性劑在運動緩沖液中形成一疏水內(nèi)核、外部帶負電的動態(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行分離。它即可分離中性組分也可分離帶電組分。
（4）毛細管等電聚焦(CIEF)
  根據(jù)兩性電解質(zhì)在毛細管內(nèi)建立PH梯度，使各具有不同等電點的蛋白質(zhì)在電場作用下遷移到等電點的位置，形成窄的聚焦區(qū)帶。該法以成功的測試了蛋白質(zhì)、氨基酸、肽等電點，分離異構(gòu)體。
（5）毛細管等速電泳(CITP)
    該法采用先導電解質(zhì)和尾隨電解質(zhì)，按待測組分的電泳淌度不同得以分離。
（6）毛細管電色譜(CEC)
    該法是將HPLC中從多的固體微粒填充到毛細管中，以樣品與固定相之間的相互作用為分離機制，以電滲流為相驅(qū)動力的色譜過程。該法比一般的HPLC分離度高，常用于分離小分子。

毛細管電泳的優(yōu)點:

（1）儀器簡單、便于自動化
    與HPLC儀相比，CE儀省往泵、梯度混合裝置和進樣閥，不需要特殊的檢測池，這樣，CE儀的構(gòu)成就非常簡單。最基本的配置只需一個高壓電源、一根毛細管、兩只緩沖槽和一個檢測器及記錄儀。
（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CE儀上實現(xiàn)，可以針對不同的分析對象，選擇BGE及毛細管內(nèi)填充物和分離模式。
（3）分離效率高、速度快
    由于CE使用的細管徑毛細管散熱和抑制對流的能力強，所以可以施加比傳統(tǒng)電泳高得多的電壓，反而進步了分離效率，縮短了分析時間。
（4）應用范圍廣
    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制，應用范圍極為廣泛。在簡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，而且它與HPLC所提供的信息是不同的，可以互相補充。
（5）分析本錢低
    CE使用的石英毛細管可以反復使用。其體積只有幾uL，分析過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，每次實際進樣量在ng以下。對于分析珍貴的樣品，如基因工程產(chǎn)品極為有利。
（7）方法建立比較簡單
    由于目前CE多在開管方式下進行，一般只需進行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）樣品預處理比較簡單
    CE多使用開管柱，不必擔心柱污染。對一些生化樣品可以直接進樣、對樣品預處理遠比HPLC簡單、對稀樣品有時可以在進樣過程中濃縮和富集。

2.芯片上CE生物樣品的分離

芯片上的CE是在常規(guī)CE原理和技術的基礎上，利用微型制造技術在平方厘米級大小的芯片上刻蝕出扁平的管道和其它功能單元，通過不同的管道網(wǎng)絡的設計和布局，實現(xiàn)樣品的分離分離技術。
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)的不同對象，并將會用于藥物篩選、臨床診斷、功能基因分析、細胞計數(shù)等領域。芯片電泳潛伏本錢低、體積小、速度快、易于實現(xiàn)高通量。本文的樣品涉及到以下幾個方面：

單核苷酸多態(tài)性及臨床應用
   林柄承等根據(jù)毛細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DNA分離的影響，對以羥丙基甲基纖維素為基礎的篩分截止進行研究，并予改進和優(yōu)化?？疾炝烁事洞?、葡萄糖等不同添加劑對篩分能力的影響，開發(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管電泳無膠篩分介質(zhì)。對毛細管電泳在醫(yī)學基因診斷的各個相關領域中的應用進行了較為系統(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)展的毛細管電泳無膠篩分介質(zhì)已能夠較為普遍地應用于基因突變的檢測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)，用二維電泳對蛋白質(zhì)作雙向分離，把分離帶刮下，酶解，再用毛細管電泳作肽圖，然后通過毛細管電泳—質(zhì)譜作肽序列測定并將所得的數(shù)據(jù)和已有數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)對照。要對細胞內(nèi)的所有蛋白質(zhì)作這樣的測定是一項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]開展了對抗乙肝抗體、人血胃泌素、腦垂體組織培養(yǎng)液中的蛋白質(zhì)，以及干擾素等進行分析，并進一步把這方面的工作擴大到血液代制品，為人類蛋白質(zhì)組工程積累了經(jīng)驗。

蛋白質(zhì)和其它分子的相互作用
用不同的親和毛細管電泳、手性毛細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
   芯片電泳技術正和快素發(fā)展的激光誘導熒光（LIF）、電子偶合器件（CCD ）等技術相結(jié)合逼近人類熟悉的另一個重要極限。在單分子層面上對不同物質(zhì)實行分離檢測。將芯片電泳與單分子檢測技術結(jié)合，更重要的是給單分子檢測引進一種機器重要的分離手段，不但毛細管電泳的知識積累可以轉(zhuǎn)移到單分子水平上重新熟悉，也使芯片電泳技術擁有更廣闊的應用遠景，尤其在生物幾醫(yī)學領域。

3.毛細管電泳的發(fā)展趨勢
21世紀將是生命科學大發(fā)展的世紀，chip是將CE發(fā)展的一個重要趨勢，將一個實驗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支或更多支毛細管陣列電泳儀將會用于藥廠中產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及大量醫(yī)學臨床。將會研制適合CE用的各種檢測器，以進行但細胞和單分子的檢測。此外，CE在環(huán)境科學中也會有較大的發(fā)展余地。

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