微流控芯片（又稱芯片實驗室）是一種以在微米尺度空間對流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)。它具有將化學(xué)和生物實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米芯片上的能力，已經(jīng)顯示了重要的應(yīng)用前景。作為一種新興的科學(xué)技術(shù)，微流控研究已經(jīng)涉及化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)等諸多領(lǐng)域，學(xué)科交叉性強，分析化學(xué)則是其第一輪也是最直接的一個應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，微流控研究發(fā)展迅速，技術(shù)創(chuàng)新層出不窮，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。本文僅以近期發(fā)表在本領(lǐng)域主要國際刊物的幾個工作為典型案例，介紹微流控技術(shù)研究的若干進(jìn)展。 

１ 液滴微流控技術(shù)用于液相色譜柱后的樣品收集及離線質(zhì)譜檢測

液滴微流控技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種全新的操控微小體積液體的方法。芯片液滴體積小，環(huán)境封閉，易于實現(xiàn)高通量，已被視為極為重要的微反應(yīng)器并開始用于樣品的預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)、顆粒合成和高通量分析等諸多方面，也在很大程度上彌補了收集經(jīng)毛細(xì)管液相色譜分離后的樣品再進(jìn)行分析和表征所顯示的局限性。近期，美國密西根大學(xué)的Ｌｉ等發(fā)展了一種新的方法，將液滴微流控技術(shù)用于毛細(xì)管液相色譜柱后的微量樣品收集與離線電噴霧離子質(zhì)譜的檢測。他們利用芯片微通道兩相液體中的油相（如全氟萘烷）連續(xù)流分割內(nèi)徑為75μｍ 色譜柱的水相流出物并形成液滴，實現(xiàn)了毛細(xì)管液相色譜柱后納升級樣品片段的收集。他們把依此形成的液滴存貯在管內(nèi)，并通過微泵灌入納米噴霧發(fā)生器的尖端，再經(jīng)電噴霧電離質(zhì)譜（ESI-MS）實現(xiàn)樣品的表征。該工作對實驗中的各種參數(shù)包括油相、ESI電壓和流速等的選擇進(jìn)行了詳細(xì)討論，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果從尖端去除油相而不使其形成電噴霧，則可以得到最佳的檢測信號。這種方法允許在分析過程中改變通道內(nèi)液體流速，尤其是可通過降低流速來延長對選定片段的 ＭＳ分析時間，提高結(jié)果的置信程度。該方法可以使樣品的分析速率超過２Ｈｚ，有可能拓展ESI-MS高通量篩選在藥物開發(fā)等方面的應(yīng)用。詳見：AnalChem，2010，82:5620-5267。

２ 數(shù)字液滴－通道微流控技術(shù)聯(lián)用用于復(fù)雜樣品處理及分離

 數(shù)字微流控（digitalmicrofluidics）是最新發(fā)展起來的一種基于介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)的液滴操控技術(shù)。它可以在陣列電極表面對不連續(xù)的液滴進(jìn)行靈活操控，以完成一系列生化反應(yīng)，特別適合于諸如樣品預(yù)處理等連續(xù)的復(fù)雜操作。數(shù)字微流控技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一是如何實現(xiàn)樣品分離，通道微流控電泳技術(shù)具有分離速度快、樣品耗量低等優(yōu)勢，恰好能彌補這一不足。近期，加拿大多倫多大學(xué)Wheeler研究組等將數(shù)字液滴微流控技術(shù)與通道微流控電泳技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種多層的數(shù)字化液滴－通道聯(lián)用微流控芯片，實現(xiàn)了在線的多級樣品處理和分離。該工作利用儲液池將上層的雙層數(shù)字微流控芯片和下層的分離通道連接，方便地實現(xiàn)了液滴分裂、融合、樣品分配、存儲及分離。他們用這種方法對熒光標(biāo)記的牛血清白蛋白進(jìn)行了多步酶解，并成功地對酶解產(chǎn)物中的各種肽進(jìn)行了分離和檢測。該工作顯示了數(shù)字微流控和通道微流控聯(lián)用技術(shù)在處理復(fù)雜樣品的微全分析系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。詳見：AnalChem，2010，82:6680-6686。

３ 液滴微流控技術(shù)用于超高通量的酶進(jìn)化篩選

 通量是高效藥物篩選的基本要求。微流控技術(shù)有可能成為高通量，甚至超高通量篩選的主流平臺。近期，美國哈佛大學(xué)的 Weitza研究組構(gòu)建了一套基于微流控芯片液滴技術(shù)的超高通量篩選平臺，與現(xiàn)有設(shè)備相比，其篩選通量和速度均有明顯的突破。該研究將分散在油相中的液滴作為納升級反應(yīng)器，每秒鐘可篩選上千個反應(yīng)，利用這一系統(tǒng)進(jìn)行酶的定向進(jìn)化篩選，篩選出的突變型辣根過氧化酶的催化速度較其親代酶高10余倍。他們首先對約107個原始樣本進(jìn)行超高通量的初篩，得到大約100個活性較高的突變型辣根過氧化酶，進(jìn)入第二輪篩選。通過第二輪更嚴(yán)格的篩選，得到了更高效的突變型辣根過氧化酶。他們僅僅用了10ｈ就完成了對108個酶反應(yīng)的篩選，總試劑消耗量小于150μＬ。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法的篩選速度提高了1000倍，而費用只是現(xiàn)有技術(shù)的100萬分之一，顯示了巨大的應(yīng)用潛力。詳見：PNAS，2010，107：4004-4009。

４ 液滴微流控技術(shù)用于模式生物線蟲神經(jīng)生物學(xué)研究 

秀麗隱桿線蟲是一種重要的模式生物，從20世紀(jì)60年代開始被廣泛用于發(fā)育學(xué)、遺傳學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等研究。傳統(tǒng)線蟲研究通常采用手工操作，通量低，耗時長，難以實現(xiàn)對單個線蟲的精確操控。微流控芯片的通道及液滴尺寸與線蟲匹配，其微型化、規(guī)模集成和快速運行的特點為線蟲生物學(xué)研究提供了一種新的技術(shù)平臺。大連化學(xué)物理研究所Shi等以芯片上納升級高通量液滴作為平臺，以模式生物線蟲帕金森病藥理學(xué)模型為對象，建立了一種基于液滴微流控技術(shù)的模式生物藥物篩選系統(tǒng)，用于研究神經(jīng)毒素誘導(dǎo)線蟲產(chǎn)生的運動、神經(jīng)元變性和氧化應(yīng)激等多種行為。該研究設(shè)計了一種多層微流控芯片，集成有液滴生成器、液滴捕獲陣列和楔形通道陣列等結(jié)構(gòu)，可以把單一線蟲從群體中隔離出來，并逐一實現(xiàn)單個線蟲液滴包裹、運動行為監(jiān)測、線蟲固定以及熒光成像等多個操作步驟。該工作首次利用微流控平臺實現(xiàn)了對線蟲帕金森病模型的運動缺陷、神經(jīng)元變性及氧化應(yīng)激水平等３個指標(biāo)的單個線蟲水平的同時檢測。這極有可能使人們能夠準(zhǔn)確記錄單個線蟲在接受藥物刺激后行為的瞬間變化，為研究神經(jīng)退行性變疾病病因和模式生物高通量藥物篩選提供了一個重要的平臺。詳見：LabChip，2010，10：2855-2863。

５ 基于噴蠟打印機的簡易紙質(zhì)微流控芯片制備方法

紙質(zhì)微流控芯片是近期發(fā)展起來的一種新的微流控芯片形式。與普通意義上的微流控芯片基材相比，它具有成本低、制備簡單、無需復(fù)雜外圍設(shè)備等特點，非常適用于發(fā)展資源匱乏條件下的生化檢測新方法。大連化學(xué)物理研究所Ｌｕ等以硝酸纖維素膜為基質(zhì)材料，建立了一種基于噴蠟打印技術(shù)的簡易紙質(zhì)微流控芯片制備方法，其整個芯片制備過程（包括打印和烘烤）可以在10內(nèi)完成。在這種新型的硝酸纖維素膜紙芯片上，利用蠟的疏水特性制備了不同形狀、不同尺寸的圖案化陣列，進(jìn)而可實現(xiàn)對多種蛋白質(zhì)的陣列化固定，以及對人免疫球蛋白Ｇ（IgG）的斑點免疫檢測。該方法可顯著降低常規(guī)方法中極易出現(xiàn)的咖啡環(huán)效應(yīng)和交叉污染，可獲得均勻的反應(yīng)信號。它作為一種簡捷、快速和低廉的微流控芯片制備方法，在現(xiàn)場實時檢測和遠(yuǎn)程診斷中有重要的應(yīng)用前景。詳見：AnalChem，2010，82:329-335。

６ 紙質(zhì)微流控芯片與商用電化學(xué)檢測器聯(lián)用 

紙質(zhì)微流控芯片與電化學(xué)檢測器聯(lián)用為開發(fā)簡易、便攜化的診斷平臺提供了一種新的手段。近期，美國哈佛大學(xué)的Nie等研制了一種新型紙質(zhì)微流控芯片，可替代商品化的血糖試紙條，并與血糖檢測儀配合使用，實現(xiàn)了對血液樣本內(nèi)葡萄糖的定量檢測。該芯片化試紙條具有降低檢測成本、擴展檢測范圍的潛力。利用這種新型芯片試紙條進(jìn)行血糖檢測，檢出限可達(dá)26mg/dL，最小樣品消耗量約為1μL，與商用試紙條相當(dāng)。此外，它還可以檢測液體中的膽固醇和乳酸（檢出限分別為0.34mmol/L和1.1mmol/L），以及水中的酒精含量（檢出限為0.1mmol/L）。該集成化微流控芯片裝置具有方便攜帶、成本低廉、可多指標(biāo)同時檢測，與商業(yè)化血糖儀兼容等優(yōu)點。若與手機相結(jié)合，則有利于家庭護(hù)理和遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的發(fā)展。詳見：Labchip，2010,10:3613-3169。

DOI：10.3724/SP.J.1123.2010.01009  作者：秦建華（中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）