微流控芯片熒光檢測系統(tǒng)研究進(jìn)展
自微流控芯片問世以來,檢測器研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。微流控芯片中各種生物和化學(xué)過程通常是在微米量級的通道幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)完成的,因此,要求其檢測器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、微型化等特點(diǎn)。
熒光檢測(FluorescencedetectionFD)技術(shù)因具有準(zhǔn)確度好、靈敏度高等特點(diǎn),是目前微流控系統(tǒng)最常用的檢測技術(shù)之一。微流控芯片的主要研究對象如蛋白質(zhì)、脫氧核糖核酸及氨基酸等自身帶有熒光基團(tuán)、或者衍生化后可產(chǎn)生熒光均可采用熒光檢測技術(shù),檢出限達(dá)10-14mol·L-1甚至可檢測到單個DNA分子液芯波導(dǎo)管的引入使檢測系統(tǒng)的性能大有改善。本文就目前微流控芯片熒光檢測系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述主要介紹用于微流控芯片的激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、發(fā)光二極管(LED)誘導(dǎo)熒光和其他熒光檢測方法和裝置以及它們的具體應(yīng)用。
1熒光檢測系統(tǒng)概述
許多化合物如有機(jī)胺、維生素、激素、酶等被入射光(即激發(fā)光)照射,吸收一定波長的光后,分子中的某些電子從基態(tài)向較高能級躍遷,電子之間發(fā)生碰撞消耗部分能量而無輻射地降到第一電子激發(fā)態(tài)的最低振動能級,再回到基態(tài)的不同振動能級,同時(shí)發(fā)射出比吸收光波長更長的熒光。熒光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度、量子效率、樣品濃度成正比。
要實(shí)現(xiàn)高靈敏度的熒光檢測,關(guān)鍵在于降低背景光,特別是激發(fā)光背景的影響。因此檢測系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要,目前報(bào)道的有正交型、非共焦型、共聚焦型和平行型等(表1)。常用的光學(xué)元件包括光源、透鏡、濾光片、分色鏡、光纖、物鏡、光電轉(zhuǎn)換元件等。
由于研究對象和技術(shù)方法等實(shí)際情況的差異,不同的研究小組在光路的設(shè)計(jì)、光學(xué)元件的配置上各有不同。
表1微流控芯片熒光檢測系統(tǒng)的4種光路結(jié)構(gòu)比較
2激光誘導(dǎo)熒光檢測系統(tǒng)
激光具有能量高、方向性好、易聚焦等特點(diǎn),特別適合作為微流控芯片中熒光檢測器的光源,以提高檢測的靈敏度。激光誘導(dǎo)熒光(LaserInducedFluorescence,LIF)檢測是目前最靈敏的檢測方法之一,其檢出限一般在10-12~10-9mol·L-1之間,最低可達(dá)10-14mol·L-1。采用一些改進(jìn)技術(shù)(如光子記數(shù)、雙光子激發(fā)等)對于某些熒光效率高的物質(zhì)甚至可達(dá)單分子檢測,LIF檢測法還具有良好的選擇性和較寬的線性范圍。早期使用的光源是氬離子激光器,具有功率大、輸出穩(wěn)定、匯聚效果好的優(yōu)點(diǎn),但其體積龐大,不利于儀器微型化,已逐漸被半導(dǎo)體激光器取代。半導(dǎo)體激光器功率輸出穩(wěn)定,價(jià)格較低、體積較小、壽命長。
單通道芯片LIF檢測
單通道微流控芯片激光誘導(dǎo)熒光檢測器是人們研究最早,也是目前研究較成熟、應(yīng)用廣泛的一類LIF檢測器,但此類裝置大多是研究者自行搭建,缺乏商品化的儀器。Ocvirk等以488nm氬離子激光器為激發(fā)光源,采用共聚焦光路以降低背景噪音,在玻璃芯片上對熒光素的檢出限分別達(dá)到300fmol·L-1(連續(xù)流動模式,S/N=6.1)和1pmol·L-1(區(qū)帶電泳模式,S/N=5.8)。林炳承等研制了一種通用型激光誘導(dǎo)熒光微流控芯片分析儀,采用電荷耦合器件(CCD)監(jiān)測通道,三維調(diào)節(jié)聚焦,發(fā)射波長濾光片可方便地更換以適應(yīng)多種染料選擇,以羅丹明6G熒光試劑作為檢測物質(zhì),檢出限為6.67×10-13mol·L-1。
通過采用多種方法,可以進(jìn)一步提高其檢測靈敏度。如Effenhauser等通過光子計(jì)數(shù)技術(shù),對PDMS芯片電泳分離的603bpDNA片段進(jìn)行檢測(YOYO-1標(biāo)記),檢出限達(dá)到了10-21mol水平。而Fister等采用單光子雪崩二極管(SPAD)作為檢測元件,利用雙脈沖計(jì)數(shù)法,對經(jīng)芯片電泳分離的羅丹明6G和羅丹明B的檢出限分別達(dá)到1.7×10-15mol·L-1和8.5×10-15mol·L-1,分離時(shí)間小于35s,相對遷移時(shí)間的不確定性小于2.0%。Fu等[17]采用正交型的光路結(jié)構(gòu),在微流控芯片系統(tǒng)中使用一個簡單的LIF檢測器,從芯片側(cè)壁檢測微通道中激發(fā)的熒光,以減少來自光源的散射光干擾,從而達(dá)到高靈敏度檢測的目的。此項(xiàng)研究利用芯片上激光的散射光強(qiáng)度分布的顯著差異,接收光信號時(shí)避開散射光以達(dá)到信噪比(S/N)的最大優(yōu)化。熒光接收角度為45°時(shí)結(jié)果最佳,所接收的散射光強(qiáng)度僅為接收角度為90°時(shí)散射光強(qiáng)度的1/38。以熒光素鈉和異硫氰酸熒光素標(biāo)記的氨基酸為樣品進(jìn)行檢測,檢出限達(dá)1.1×10-12mol·L-1(S/N=3),與優(yōu)化后的微流控芯片共聚焦LIF系統(tǒng)性能相當(dāng)。
采用半導(dǎo)體激光器作為激發(fā)光源,可大大減?。蹋桑茩z測器的體積、重量和功耗,從而適于搭建微型化分析系統(tǒng)。Shrinivasan等使用波長為635nm的紅色半導(dǎo)體激光器作為光源,研制了一種低成本、低功耗的小型熒光檢測器,光電二極管加上運(yùn)算放大器進(jìn)行信號采集。該系統(tǒng)功率僅270mW,與傳統(tǒng)使用氬離子激光器和光電倍增管的檢測系統(tǒng)相比,成本減少了98%,能耗只有傳統(tǒng)的1/5000。在微分析系統(tǒng)中,采用此微型LIF檢測器進(jìn)行DNA定量分析,誤差小于15%。
多通道陣列芯片LIF檢測
隨著微機(jī)電加工技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在芯片上加工出上百條并行的微通道,進(jìn)行高通量的反應(yīng)和分離,以滿足藥物篩選和基因測序等領(lǐng)域的需求。對陣列微流控芯片進(jìn)行快速高靈敏度的檢測,促進(jìn)了微流控芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向通量化方向發(fā)展。
采用多道掃描熒光檢測技術(shù),可以在陣列式微流控芯片上實(shí)現(xiàn)高通量、高速度的檢測分析。Shi等設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)掃描的共聚焦激光誘導(dǎo)熒光四色檢測器,用于96通道圓盤式毛細(xì)管陣列電泳芯片分析的檢測。檢測器的掃描物鏡頭在步進(jìn)電極的帶動下,依次對芯片上各通道的檢測點(diǎn)進(jìn)行熒光檢測,利用共聚焦光路系統(tǒng)將激發(fā)光和熒光分開,熒光信號由二個四色檢測裝置進(jìn)行檢測。該檢測器可在120s內(nèi)完成芯片上96個通道和384個通道中DNA片段的高通量快速熒光分析,測序速度達(dá)到1.7kbp·min-1,比目前商用毛細(xì)管陣列電泳測序技術(shù)快5倍。該系統(tǒng)適用于低濃度、試劑量少的樣品,且在樣品的制備處理方面表現(xiàn)出許多優(yōu)勢,有可能成為下一代高性能DNA測序平臺。
采用電荷耦合器件(CCD)作為檢測器是多通道陣列芯片的另一種檢測方式。Shen等采用473nm半導(dǎo)體固體激光器作為光源,激發(fā)光束經(jīng)凹面鏡匯聚、柱面鏡擴(kuò)展成一條寬4mm的線狀激光后,濾去雜光聚焦于芯片陣列通道上,激發(fā)微通道中的熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光。發(fā)出的熒光經(jīng)過收集、濾過雜散光后進(jìn)入CCD檢測。Okagbare等用波長為660nm的激光作激發(fā)光源,電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)轉(zhuǎn)換光電信號,在30通道的微芯片上進(jìn)行單分子熒光檢測。該檢測系統(tǒng)對熒光標(biāo)記的單個DNA分子具有足夠的靈敏度,檢測速率達(dá)到4.02×105個·s-1。將通道變窄,縮短間距,可進(jìn)一步提高檢測速度。McKenna等構(gòu)建了一個高通量細(xì)胞計(jì)數(shù)微流控芯片系統(tǒng),可在6~10min內(nèi)對384份樣品進(jìn)行細(xì)胞篩選。Garcia-Alonso等使用倒置顯微鏡檢測熒光,在8通道的微芯片上進(jìn)行化合物的毒性篩選。Chen等建立了一種快速、超靈敏的檢測方法,在5min內(nèi)可完成對7-氨基氯硝西泮(7-ACZP)的檢測,線性范圍為1.1~60.1μg·L-1,檢出限為0.021μg·L-1。Emory等使用CCD相機(jī)延時(shí)合成(TDI)模式,對多條微流體通道同時(shí)進(jìn)行單分子的跟蹤和檢測,可實(shí)現(xiàn)每秒1.7×107個的高通量檢測。
3發(fā)光二極管誘導(dǎo)熒光檢測系統(tǒng)
在半導(dǎo)體激光器發(fā)展的同時(shí),半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)也日益受到重視。LED是一種體積更小,壽命更長、價(jià)格更低的發(fā)光器件,能極大地簡化檢測器的結(jié)構(gòu)。目前,多種波長的高亮度LED已上市,利于實(shí)現(xiàn)對各種生物樣品、金屬離子及中藥提取物的熒光檢測。
為了減少激發(fā)光干擾,LED誘導(dǎo)熒光檢測系統(tǒng)光路多為正交型。Nakajima等采用LED、兩個圓柱型透鏡、一棱鏡及一分色鏡、電荷耦合器件(CCD)、聚合物芯片等組建了微芯片傳感器,實(shí)現(xiàn)了低分子物質(zhì)的在線分析。Xu等采用共聚焦光路結(jié)構(gòu),先通過聚合酶鏈反應(yīng)(PCR),然后在芯片毛細(xì)管電泳上用490nm的LED作激發(fā)光源,進(jìn)行雙鏈DNA片段一步測定。關(guān)亞風(fēng)等研制了一種LED誘導(dǎo)熒光檢測系統(tǒng),通過柱上檢測可與微通道分析系統(tǒng)在線聯(lián)用,對FITC標(biāo)記的苯丙氨酸濃度檢出限達(dá)1.0×10-8mol·L-1。Pais等使用綠光LED作為光源、兩塊偏振鏡分別過濾激發(fā)光與發(fā)射熒光,建立了一種高靈敏度的熒光分析方法,對羅丹明6G和熒光素的檢出限分別為0.1μmol·L-1和10μmol·L-1。
以光纖作為傳光介質(zhì),能夠減小光斑的直徑,起匯聚作用。美國哈佛大學(xué)Whitesides課題組報(bào)道了一種PDMS芯片,該芯片中集成有熒光檢測單元,分為三層:通道層靠近分離通道的邊緣埋有一根光纖,光纖通過與外部473nm的LED耦合以傳輸激發(fā)光;底層PDMS基片中埋入微型雪崩二極管(μAPD)作為感光元件,表面覆蓋一層PC聚合物濾光片。該系統(tǒng)對熒光素的檢出限為2.5×10-8mol·L-1,且被成功地用于蛋白質(zhì)和小分子混合物的電泳分離和檢測。崔大付等在光纖型微流控芯片上建立了用藍(lán)色LED誘導(dǎo)熒光檢測系統(tǒng)。LED激發(fā)光通過連接在芯片上的光纖傳遞,到達(dá)檢測區(qū)域,利于實(shí)現(xiàn)儀器的微型化,對FITC的檢出限(5S/N)達(dá)22nmol·L-1。Uchiyama等將藍(lán)色LED直接埋入上層聚酯蓋片中,在與LED垂直的下層聚酯芯片的通道側(cè)旁固定一多模光纖以收集熒光,將其直接導(dǎo)入光電倍增管中進(jìn)行檢測。
由于光纖纖芯直徑(一般為62.5μm)與微流控溝道的深度尺寸(50~100μm)非常接近,同時(shí)用于激發(fā)光的傳輸和熒光信號的采集,提高激發(fā)效率和檢測靈敏度。Destandau等將刻有Y形通道的PDMS板固定在玻璃基板上,用LED作激發(fā)光源,兩根光纖分別用于激發(fā)光的傳導(dǎo)和熒光的收集。對水溶液中鉀離子的濃度進(jìn)行檢測,檢出限為0.5mmol·L-1,且不受鈉離子的干擾。Irawan等用藍(lán)色LED、PMMA或石英材料的光纖和小型光電倍增管搭建了一個緊湊型的熒光檢測系統(tǒng),能夠檢測到磷酸鹽緩沖溶液中0.005mg·L-1的熒光素,結(jié)果可重復(fù)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于多通道檢測,對熒光素的檢出限達(dá)到0.01ng·L-1,重現(xiàn)性良好,相鄰?fù)ǖ篱g未觀察到相互干擾的現(xiàn)象。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于芯片上的免疫檢測。Huo等用三種不同波長的發(fā)光二極管組成陣列作為熒光檢測的激發(fā)光源,通過光纖束傳導(dǎo)激發(fā)光,實(shí)現(xiàn)了對不同熒光物質(zhì)的同時(shí)檢測。
使用液芯波導(dǎo)技術(shù),是提高熒光檢測靈敏度的另一種有效方法。Dasgupta等最先使用TeflonAF-1600材料涂覆的毛細(xì)管作為液芯波導(dǎo)管,實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管電泳中的熒光檢測。Wang等在微流控芯片上利用LED作為激發(fā)光源,結(jié)合液芯光纖波導(dǎo)池傳輸熒光,有效地減小了激發(fā)光干擾。以波長470mm的LED為激發(fā)光源,用液芯波導(dǎo)H-通道微芯片與流動注射聯(lián)用,對FITC衍生精氨酸的檢出限為1.6fmol,實(shí)現(xiàn)了微流控芯片分析系統(tǒng)中的LED-液芯波導(dǎo)誘導(dǎo)熒光檢測。在此基礎(chǔ)上使用同步雙波長調(diào)節(jié),提高了檢測的信噪比。
光波導(dǎo)元件的芯片集成對提高LIF檢測單元在微流控芯片上的集成度具有重要意義。通過常規(guī)刻蝕手段在平板芯片上形成可定向排列的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),以提高其檢測通量和微型光學(xué)元件排列的緊湊性。如Mogensen等在一塊芯片上刻蝕一系列并行的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),可將一束激光分成128道平行光束,而且僅需一個光電倍增管(PMT)就可同時(shí)檢測所有波導(dǎo)通道。他們利用該芯片測定了熒光微粒在微通道中的流速。趙琰等提出了一種液芯波導(dǎo)免疫分析陣列芯片的檢測系統(tǒng),結(jié)合光強(qiáng)差技術(shù)提高了ELISA的靈敏度,辣根過氧化酶(HRP)的線性范圍為1×10-10~9×10-10g·L-1,檢出限為3.0×10-11g·L-1,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%,線性范圍的下限與檢出限均比普通的光度法改善了100倍,將其應(yīng)用于血清和尿液中β2-微球蛋白的免疫分析,與標(biāo)準(zhǔn)方法所得結(jié)果相符。Bliss等將熒光染料摻入PDMS材料中,通過調(diào)節(jié)極性控制染料分子的擴(kuò)散入液芯波導(dǎo)管程度,這些分子選擇性地吸收激發(fā)光并傳送被測樣品發(fā)出的熒光,以此進(jìn)行DNA片段的分析與檢測。
與常規(guī)的LIF檢測器相比,目前,這種集成化熒光檢測器的檢測靈敏度要低一些,除了LED光強(qiáng)較弱外,還因?yàn)樗玫模蹋牛墓庠垂庾V通帶較寬,其半帶寬通常為20~30nm,導(dǎo)致很難將激發(fā)光與熒光有效地分離。Ren等開發(fā)了一種新型的便攜式熒光檢測系統(tǒng),應(yīng)用在微流控陣列芯片上。該系統(tǒng)極其簡單,使用一個掃描LED光源和一個單點(diǎn)光電傳感器,無CCD、透鏡、光纖或其他活動部件。脈沖驅(qū)動LED使靈敏度大大提高,并極大地減少能耗、降低光漂白效應(yīng)。與傳統(tǒng)的毛細(xì)管陣列電泳檢測系統(tǒng)不同的是,目前該系統(tǒng)能以高掃描率掃描徑向的毛細(xì)管陣列。用8通道的陣列芯片系統(tǒng)檢測FITC標(biāo)記的精氨酸試樣,檢出限可達(dá)640amol。
隨著微型激光二極管等高質(zhì)量光源的發(fā)展,這種微型化的熒光檢測器將對微流控芯片的推廣以及最終被公眾廣泛接受起著十分重要的作用。
4其他熒光檢測系統(tǒng)
雙光子激發(fā)熒光檢測的特點(diǎn)是背景散射光的干擾小,信噪比高,由于熒光激發(fā)效率平方與入射光強(qiáng)平方成正比關(guān)系,探測靈敏體積被限制在焦點(diǎn)附近,更有利于實(shí)現(xiàn)單分子探測。Zugel等首次在芯片上實(shí)現(xiàn)了雙光子激發(fā)熒光檢測。采用平均功率120mW、發(fā)射波長580nm的染料激光器作激發(fā)光源,共聚焦的熒光顯微鏡為光學(xué)系統(tǒng),時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)器作為熒光檢測部件,構(gòu)成了雙光子激發(fā)熒光檢測器,對熒光素標(biāo)記的β-萘胺檢出限達(dá)6.0×10-8mol·L-1。Schulze等使用420nm的激發(fā)光,在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)了對天然蛋白和小分子芳烴的雙光子激發(fā)熒光檢測,檢出限達(dá)1.0×10-6mol·L-1。
Dongre等采用直接飛秒激光刻寫技術(shù)將光學(xué)波導(dǎo)管集成到普通石英微流控芯片上,通過光波導(dǎo)管傳導(dǎo)連續(xù)激光器發(fā)出的入射光,對經(jīng)微流控芯片分離的、帶有熒光標(biāo)記的DNA分子進(jìn)行檢測;同一課題組的Martinez等采用高數(shù)值孔徑光纖,以90°收集激發(fā)產(chǎn)生的熒光,通過簡單的后處理和規(guī)范化的技術(shù)將光子功能集成到微流控芯片上。運(yùn)用先進(jìn)而獨(dú)特的三維飛秒激光刻寫技術(shù),可實(shí)現(xiàn)如分束鏡或馬赫-貞德干涉儀等更加復(fù)雜的功能,該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、方便攜帶,克服了目前微流控芯片檢測系統(tǒng)檢測元件體積較大等缺點(diǎn)。Kamei等報(bào)道了一種微型集成熒光檢測器,對常用的熒光標(biāo)記染料有較高的靈敏度,適用于即時(shí)檢測(POCT)。Buny-akul等以SRB作熒光染料,在微芯片熒光檢測系統(tǒng)上檢測霍亂弧菌毒素B亞基(CTB),檢出限為6.6μg·L-1。Wu等在微芯片上實(shí)現(xiàn)了粒子計(jì)數(shù)與熒光檢測同步進(jìn)行,可以檢測到直徑0.9μm的熒光粒子。Schultz等報(bào)道了一種新型的熒光陣列生物傳感檢測器,成功地應(yīng)用于DNA雜交分析。
單一的檢測方法具有局限性。將熒光檢測與其他方法聯(lián)用進(jìn)行雙重檢測,可以得到化合物的更多信息,同時(shí)測定不同性質(zhì)的各種物質(zhì),幫助確證峰的歸屬。Liu等搭建了一種熒光/非接觸電導(dǎo)雙重檢測器。在芯片微通道上進(jìn)行熒光和非接觸電導(dǎo)同點(diǎn)同步檢測,對熒光素納、FITC和FITC標(biāo)記的精氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸的熒光檢測,檢出限分別為0.02,0.05,0.16,0.15,0.12μmol·L-1,對D-青霉胺的檢出限為1.1μmol·L-1。Lapos等報(bào)道了一種在微流控芯片上同時(shí)進(jìn)行安培/熒光雙檢測的方法。對多巴胺、兒茶酚、NBD-精氨酸與NBD-苯丙氨酸熒光檢測的檢出限分別為0.448,1.52,16,18μmol·L-1。
5展望
熒光檢測技術(shù)為微流控芯片分析研究提供了更為靈敏的檢測手段。多通道陣列芯片上熒光檢測系統(tǒng),將滿足藥物篩選和基因測序等領(lǐng)域高通量的需求。超高亮度LED的面世以及使用脈沖電源供電方式增加LED激發(fā)光強(qiáng)、聯(lián)合液芯波導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用,以及與其他檢測技術(shù)聯(lián)用等措施,能夠進(jìn)一步提高靈敏度,降低檢出限,擴(kuò)大應(yīng)用范圍。
微流控分析技術(shù)自20世紀(jì)末興起后,取得了迅速的發(fā)展。但目前商品化的熒光檢測器,在不同程度上存在著價(jià)格昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、兼容性差等局限性。因此,研制成本低廉、集成度高、適合于商品化的微流控芯片熒光分析儀,成為當(dāng)前分析儀器發(fā)展的重要目標(biāo)之一。
(文章來源:張雯,錢金雄,肖彥革,陳纘光*《微流控芯片熒光檢測系統(tǒng)研究進(jìn)展》轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息,版權(quán)歸原作者所有,如侵犯權(quán)益,請聯(lián)系刪除)
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