以微機(jī)電加工技術(shù)（MEMS）為基礎(chǔ)的微型全分析系統(tǒng)（μTAS）,在近10余年中已經(jīng)發(fā)展為當(dāng)前世界上最前沿的科技領(lǐng)域之一。該技術(shù)是將化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離和檢測等過程縮微或基本縮微到一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的技術(shù)，是一個(gè)微而全的系統(tǒng)。目前微流控芯片是μTAS中最活躍的領(lǐng)域和發(fā)展前沿，原則上微流控芯片可應(yīng)用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、新藥物的合成與篩選、食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等其他重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物分析是熱點(diǎn)。目前其應(yīng)用主要集中在核酸分離和定量、DNA測序、基因突變和基因差異表達(dá)分析等。本文將對(duì)近年國內(nèi)外利用微流控芯片進(jìn)行基因分析的研究進(jìn)展作一綜述。

聚合酶鏈反應(yīng)

聚合酶鏈反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction , PCR）是一種對(duì)核酸分子進(jìn)行體外擴(kuò)增的方法 ,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，反應(yīng)的主要操作過程在3個(gè)溫度區(qū)間重復(fù)循環(huán)，經(jīng)過酶促反應(yīng)擴(kuò)增特定的DNA片段，擴(kuò)增后的產(chǎn)物可用于診斷疾病、檢驗(yàn)組織或血樣中的特殊細(xì)菌或病毒。常規(guī)的PCR過程需要制樣、擴(kuò)增及檢測等步驟 ,既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而微流控芯片技術(shù)用于PCR擴(kuò)增及相關(guān)檢測時(shí)，既能簡化操作步驟，又能顯著提高檢測效率。目前，反應(yīng)池內(nèi)固定擴(kuò)增式PCR和連續(xù)流動(dòng)式PCR已經(jīng)成為芯片上PCR擴(kuò)增的2種主要形式。前者基于靜態(tài)反應(yīng)，通過反應(yīng)池內(nèi)溫度的周期性變化實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增，后者是依靠生物樣品順序流過3個(gè)不同的溫度區(qū)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增。

但在多個(gè)樣品連續(xù)擴(kuò)增時(shí)，由于通過人工換樣，降低了單位時(shí)間擴(kuò)增的樣品數(shù)，也增加了交叉感染的可能。為克服以上缺陷 ,有團(tuán)隊(duì)研制了具有35個(gè)擴(kuò)增循環(huán)的螺旋通道微流控PCR玻璃芯片，在 26 min內(nèi)成功擴(kuò)增了質(zhì)量濃度僅為10 ng/ml的6012 bp的DNA。在芯片內(nèi)液流由內(nèi)向外流 ,減少了反應(yīng)液在微通道中流動(dòng)時(shí)的分散和阻力 ,將小孔徑石英毛細(xì)管作為順序注射系統(tǒng)（SI）的連接通路，將死體積降低至0.3 nl，從而完成了擴(kuò)增過程中微升級(jí)樣品的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了在芯片上進(jìn)行多個(gè)樣品的連續(xù)自動(dòng)擴(kuò)增、微升級(jí)樣品的自動(dòng)換樣、連續(xù) PCR 擴(kuò)增和微通道洗滌等功能 ,樣品間無交叉污染。由此可見 ,利用流通式微流控PCR芯片已成功地實(shí)現(xiàn)了PCR的快速擴(kuò)增 ,其優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)增速度快，操作簡便，使用樣品和試劑少，芯片可以重復(fù)使用。

核酸分離與測序

微流控芯片分析在生命科學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用對(duì)象之一是核酸分析。由于在微通道條件下 ,施加電場產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)低 ,注入的試樣量少 ,分子擴(kuò)散程度低 ,因此微流控電泳分析在核酸診斷分離中的分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于平板凝膠電泳。微芯片的快速高質(zhì)量的分離效能在寡核苷酸、DNA、RNA片段分析以及基因表型和測序應(yīng)用中得到充分反映。微芯片上的DNA 基因型分析可以迅速完成基因鑒別，顯著提高其在基因組學(xué)、診斷學(xué)、遺傳藥理學(xué)、法醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)方面的性能。

近10年來，隨著微流控分析芯片在技術(shù)上的不斷完善和發(fā)展，微流控分析芯片系統(tǒng)所能分離的DNA 片段的長度也在逐步擴(kuò)大，可完成對(duì)DNA片段的測序和遺傳物質(zhì)的分離、分析，并且出現(xiàn)了可同時(shí)進(jìn)行平行分析的多通道陣列芯片。

多態(tài)性檢測

單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）就是人類基因組中物理圖譜的理想遺傳標(biāo)記，能滿足對(duì)代謝、生長和疾病相關(guān)基因的定位。SNP在人類基因組中出現(xiàn)的頻率非常高，平均每500～1000個(gè)堿基對(duì)中就有一個(gè)SNP，估計(jì)其總數(shù)在300 萬個(gè)以上。

基因多態(tài)性是人類各種可遺傳變異中常見的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為長度和序列多態(tài)性兩個(gè)方面。長度多態(tài)性包括大片段 DNA 插入或缺失引起的基因突變以及高度重復(fù)序列中小衛(wèi)星或微衛(wèi)星位點(diǎn)的重復(fù)串聯(lián)數(shù)目不同而引起的多態(tài)性；而序列多態(tài)性則來源于單堿基的替換、插入或缺失，也叫基因的點(diǎn)突變。病態(tài)下許多突變涉及到大范圍的基因缺失或復(fù)制。如杜氏肌營養(yǎng)不良（DMD）是一種 X 染色體連鎖的隱性遺傳病，60 %的患者可伴有抗擊萎縮蛋白基因的缺失 ,且主要發(fā)生在9個(gè)突變熱點(diǎn)區(qū)。SNP檢驗(yàn)方法主要是以PCR為基礎(chǔ) ,通過電泳技術(shù)分辨堿基差異造成的DNA片段的各種差異來進(jìn)行基因分型。

其他

除了應(yīng)用于基因多態(tài)性檢測和DNA測序，芯片電泳還可通過PCR產(chǎn)物分析進(jìn)行外源性病原體基因的快速檢測 ,并具有較高的靈敏度和特異性。針對(duì)病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態(tài)型、基因變異的位點(diǎn)及特征等，設(shè)計(jì)和選擇合適的核酸探針，經(jīng)PCR 擴(kuò)增后檢測 ,就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗藥、致病、同源性、多態(tài)型、變異和表達(dá)等信息，為疾病的診斷和治療提供一個(gè)很好的切入點(diǎn)。有關(guān)該技術(shù)的應(yīng)用已有報(bào)道，應(yīng)用微流控芯片可同時(shí)檢測多種病原微生物核酸的PCR產(chǎn)物如乙型肝炎病毒 ( HBV) 、丙型肝炎病毒 ( HCV)、免疫缺陷病毒 ( HIV)、梅毒等。

探針DNA分子是通過微陣列技術(shù)印制到基體表面的 ,所要分析的樣品由微流控體系加入并與探針反應(yīng)。該技術(shù)吸收了微流控與微陣列兩者的優(yōu)點(diǎn)，微流控體系可以通過調(diào)節(jié)溫度自動(dòng)控制與微陣列DNA 反應(yīng)的樣品量，同時(shí)吸取了微陣列技術(shù)中可通過熒光信號(hào)對(duì)雜交進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的長處。

經(jīng)過十幾年的發(fā)展 ,微流控技術(shù)在基因分析中的應(yīng)用越來越廣泛，并不斷取得積極和具有突破性的成果 ，由于自身突出的優(yōu)點(diǎn) ,可能在不遠(yuǎn)的將來成為基因分析的主要工具，其技術(shù)可以為后基因時(shí)代的基因組學(xué)研究提供一個(gè)更為強(qiáng)大的平臺(tái)。

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