浅析微流控技术在生物传感检测领域的应用

作为一种精确控制和操控微尺度流体的技术，微流控（microfluidics）以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势在于多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成，涉及工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等多个领域的学科交叉。

微流控检测芯片一般具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。到目前为止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。选择合适的材料对于制作工艺选择和微流控芯片的成功应用非常重要。其中，微流控纸芯片（lab-on-paper，纸上微型实验室）是近几年发展的一种新型微流控芯片。具有成本更低、分析系统更易微型化、便携化、生物相容性好、检测背景低、 后处理简单，无污染等优势。近年来,微流控芯片技术的发展为癌细胞检测的研究提供了很多新的思路, 作为一个新型的无创检测平台,具有高度的可行性和可重复性。

微流控在单细胞水平上的研究进展迅速。在生命科学、医学以及生物学等诸多领域，经常需要从较为复杂的样品中分选出所需要的单个细胞，以进行后续的科学研究，如癌症研究中分选获得单个癌细胞是后续进行单细胞测序的关键前提。今年，大连海事大学开发了一种在单细胞水平上全自动操控细胞的微流控芯片装置，装置主要由微流控芯片、差分放大器、继电器、数据采集卡以及计算机等组成。整个分选过程由细胞经过检测区域产生的电压脉冲信号幅值来控制。采用电渗流可以有效地操控单个细胞，当样品中细胞浓度足够低时，可以实现100%的有效分选。完成一次分选大约需要3s，系统单个检测区的最大分选通量约为20个每分钟，后续可以通过设置多个检测区来提高分选通量。有效克服了现有单细胞操控技术存在的各种不足之处。

表面增强拉曼光谱( surface enhanced Raman spectroscopy ,SERS) 与微流控芯片相结合用于光流体检测可以实现快速、无损伤检测分析。表面增强拉曼光谱是一种新兴的、具有超 高灵敏度无标记指纹的高级痕量分析技术，稳定、重现、高强度、高灵敏度的 SERS 信号是获取有效生物传感信息的首要条件。大量研究表明，可控性金属纳米粒子聚集体或纳米颗粒阵列对产生上述SERS信号至关重要。在临床免疫检测过程中，SERS 生物传感器不仅能快速检测单一生物蛋白标志物，而且基于固态 SERS 活性基底的生物传感器可以实现敏感性、特异性生物标记物的同时检测。便携式智能化的微流体 SERS 生物传感器检测设备将在医疗保健、环境监测以及食品安全等领域得到广泛应用。

另外，微流控芯片还可用于构建肿瘤微环境。该芯片具有3层复合式结构: 底层为微通道贯穿的细胞培养池阵列，顶层是开放式培养池，二者之间为一层纳米孔薄膜。纳米孔薄膜具有“透气阻水”的特性，既起到止流阀作用实现液体自动分配，又允许跨膜扩散，模拟血管内皮层扩散屏障结构。结合移液工作站，开放式微流控芯片可以完成细胞换液、药物处理和细胞活力测试等一系列分析步骤。

随着微流控技术和光学传感技术的发展，一系列被用于细胞迁移和外泌体检测的微流控芯片也相继被开发，局域表面等离子体共振传感技术由于其无需标记、可便携等优点在生物传感检测领域有广泛的应用。