集成毛细管电泳芯片(微流控芯片)系统中检测器研究和应用

　　在过去的几十年里,微型化、集成化和自动化技术的推进使得微电子技术得到革命性的发展,并极大地带动了许多产业的进程。然而在生命科学的世纪———21世纪到来之际,纵观生物化学、制药、临床诊断等相关领域,目前大多数实验室的试验过程都是相当低效、繁重和费时的,而这对于研究过程极为复杂相关因素极多的生命现象的工作来说,是不能满足要求的。在这种情况下,近十年以来生物芯片(或称芯片上试验室)成为高科技领域最为重要的一个研究热点。有人提出,就象集成电路芯片对于计算机和电子产业曾经起到的作用一样,生物芯片将给生物、化学、医药、环境等等相关领域带来革命性的变化和发展[1,2]。可以说,生物芯片是近十年以来生物、化学、微型加工和微电子技术、信息采集和处理技术等多门科学技术综合发展和交叉的产物,是生物科学和分析化学一个革命性的里程碑。

　　生物芯片大致可以分为两种,一种是基于杂交或亲和作用的微型阵列芯片[3~6];另一种则是在固体材质上制造出的微流体生化分析芯片(或称毛细管电芯片)[7,8]。通过对微型管道网络系统中流体的控制、处理和检测,可以对极小量的生化样品和试剂进行样品处理(如过滤、附近、稀释、混合和反应)、分离及检测,再加上并行处理的设计,从而实现对于复杂样品快速、低耗、高效、高通量、大信息流量的分析。由于芯片极大地降低了样品和试剂的使用量,以及器件尺度的减小,这样发展与之相匹配的检测技术就成为芯片技术发展的关键问题之一。因此,下面将主要对近年来国内外微流体芯片在检测器系统方面的研究和应用作一介绍:

　　1　激光诱导荧光检测

　　前面指出,芯片的一个重要的特点是极大地降低了样品和试剂的使用量,如目前最低的进样量已可低至1pL,由于流体和器件尺度的减小,对于检测技术灵敏度的要求就被提到了一个重要的位置,这样,激光诱导荧光检测技术就以其高灵敏度成为目前大多数微流体芯片采用的检测方式[9]。不同的研究小组在光路的设计、光学元件的配置等问题上因其研究对象、理念和技术力量等实际情况的差异而有所不同。目前,采用的光学系统根据主要设计原理大致可以分为透射式和落射式共焦系统两类,而后者因其能够更有效地利用激发光源、降低噪音和便于调节,已成为优先选用的设计。除了在光路上的硬件设计以外,为提高在微小管道中痕量样品的检测灵敏度,信号处理也是研究者关注的一个热点。同时采用CCD(电荷耦合器件)对相关区域的流体行为进行观测的分析也广泛地被采用。

　　高处理量的要求是芯片发展的一个重大趋势,这不仅对芯片本身的设计和制作提出了更高的要求,也对检测器和数据处理能力提出了新的挑战,如Math-ies的小组1999年在直径为10cm的圆形基片上制作了96根管道的微流体芯片[10],特殊设计的激光诱导荧光共焦检测系统能够同时检测所有管道中样品的分离。目前,与Caliper Technologies合作由AgilentTechnologies推出的全球第一台微流体芯片系统LabChip Systems:Agilent 2100 Bioanalyzer中所使用的芯片就是可同时对12个样品进行分析的多通道芯片,平台中采用激光诱导荧光技术对凝胶筛分的DNA或RNA片段进行检测。