晶片細胞分析技術

微流控晶片(microfluidic chip)，又稱微全分析系統(micro total analysis system，ì-TAS)或者晶片實驗室(lab-on-a-chip)，是指把化學和生物等領域中所涉及的樣品製備、反應、分離、檢測及細胞培養、分選、裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的晶片上，由微通道形成網路，以可控流體貫穿整個系統，用以取代常規化學或生物實驗室的各種功能的一種技術平台。

細胞是生物體和生命活動的基本單位,細胞分析對於細胞結構和功能的研究、生命活動規律和本質的探索、疾病的診斷與治療、藥物的篩選與設計等都具有十分重要的意義。自微流控晶片面世以來,以其微型化、集成化、自動化和便攜化等優勢越來越多地套用在細胞分析領域。

基本介紹

• 中文名：晶片細胞分析技術
• 外文名：Chip cell analysis technology
• 晶片：微流控晶片
• 又稱：微全分析系統
• 方法1：細胞操縱
• 方法2：細胞培養
• 方法3：單細胞內組分分析

微流控晶片

微流控晶片(microfluidic chip)，又稱微全分析系統(micro total analysis system，ì-TAS)或者晶片實驗室(lab-on-a-chip)，是指把化學和生物等領域中所涉及的樣品製備、反應、分離、檢測及細胞培養、分選、裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米(甚至更小)的晶片上，由微通道形成網路，以可控流體貫穿整個系統，用以取代常規化學或生物實驗室的各種功能的一種技術平台。微流控晶片具有分離效率高、分析速度快、分離模式多、所需樣品少、套用範圍廣、自動化程度高等優點，充分體現了當今分析設備微型化、集成化、自動化和便攜化的發展趨勢，被廣泛套用在生命科學、疾病診斷與治療、藥物合成與篩選、農作物育種與改良、環境監測與控制和戰時對病原體檢測等領域。

晶片細胞分析技術的優點

微流控晶片用於細胞分析，有如下的優點:(1)微通道的尺寸與細胞尺寸相當，在微流控晶片上對細胞的研究可深入到單細胞甚至亞細胞器水平。(2)微尺寸通道、多維網路結構和相對封閉的環境，接近體內的生理狀態，可實現無損或者微損檢測。(3)平板式幾何構型，更容易進行觀察、檢測;而且傳熱、傳質迅速，提高分析的精確度和靈敏度。(4)可以將諸多細胞研究操作步驟集成在同一塊晶片上，有利於平行操作和連續分析。(5)可以滿足高通量細胞分析的需要，同時獲取大量的生物學信息。(6)晶片設計靈活多樣，可與相關分析儀器集成或聯用。(7)節省時間、樣品和試劑，有利於降低研究成本。

晶片細胞分析技術的分類

細胞操縱

微流控晶片細胞操縱是將細胞運送到預定的位點，將其固定後，進行細胞成分、結構和功能等分析。通常地，這還包括了對目標細胞的分離和篩選。在微流控晶片上運送和固定生物細胞，要求操作簡便、高效，同時能保持細胞活性。目前在微流控晶片上進行細胞操縱的方法主要有:機械操縱法、光學操縱法、電場操縱法和磁力操縱法等。Chen等對各種細胞操縱分選技術進行了詳細的報導。

（1）機械操縱法

機械操縱法主要是指利用微機械加工技術，在晶片上刻蝕出各種結構，如微篩、微阱、微溝、梳狀、堰狀、沙袋等，根據細胞尺寸的差異進行物理分離的一種方法。它具有工作原理簡單，不需要特殊的緩衝液等優點。缺點是製作微結構較複雜，而且要求目標細胞和雜質細胞必須有明顯的尺寸差異。Lee研究小組在微流控晶片細胞機械操縱方面做了大量的研究工作。如他們設計了一種含有U型截留結構陣列的微流控裝置，每個U型截留單元無需表面修飾，可在30s內截留並固定單細胞，進而可進行細胞培養和細胞分析。陳興等製備了一種錯流過濾式細胞分離微流控晶片，有效地避免了晶片堵塞問題;且採用壩式分離結構，提高了血細胞中白細胞和紅細胞的分離效率。孫悅等採用傳統光刻技術和三步刻蝕法製作了一多深度通道的微流控晶片，在分離通道中設定了圍堰，保證了單細胞在分離通道中的準確定位和靜態溶膜，電泳分離後進行雷射誘導螢光檢測(LIF)，分析了人類單個腫瘤細胞中的谷胱苷肽和活性氧。

（2）光學操縱法

光學操縱的基本原理是:當光束照射到細胞時，對細胞產生作用力，細胞被捕獲在光束的焦點附近;或者在這個力的作用下，細胞被運送到目標檢測分析位置。光學操縱法的優點是不接觸、不損傷細胞，污染少，便於微尺寸範圍的精細操作，可達微米級的精確定位;缺點是設備昂貴，僅適於細胞短距離操縱。光學操縱常用的是光鑷技術(optical tweezers or optical traps)，其可對細胞進行精確的定位。Ramser等用一集成了拉曼光譜、雷射光鑷的微流控晶片的裝置，對單個紅細胞進行操控和光譜收集，從拉曼光譜特徵峰位置、強度和線寬可實時監測細胞中的氧循環和光誘導作用對細胞內物質相互作用的影響，也可以進行細胞內藥物效應的實時檢測。光鑷技術可用於螢光激發細胞分選(fluorescence activated cell sorter，FACS)。FACS是指對細胞進行螢光標記，以雷射激發出的螢光信號的有無或強弱控制細胞的流向。Wang等設計的一種微流控裝置，可精確控制細胞位移而達到細胞分選的目的。細胞在雷射束的照射下，通過綠色螢光蛋白表達發出螢光的細胞在光鑷作用下流向收集池，而非綠色螢光蛋白表達的細胞因未受光鑷作用而流向廢液池。為滿足微流控晶片體積小、高通量和低成本的需要，在光學操縱中還使用了垂直腔面發射雷射器(vertical cavity surface emitting lasers)及其陣列。Shao等研製了一顯微集成的VCSELs陣列截留系統裝置，能夠獨立控制和批量處理生物細胞，便於進行平行操作。

細胞培養

細胞培養是指從體內組織取出細胞，模擬體內生存環境，在無菌、適當溫度及酸鹼度和一定營養條件下，使其生長繁殖並維持結構和功能的一種培養技術。細胞培養常採用瓶皿或微孔板。但是，細胞的體積微小，這些傳統的皿板提供的培養環境明顯與體內環境相差甚遠，難以真實反應生理狀態下細胞的生物學特徵性。微流控晶片具有相對封閉的多維網路結構，通道尺寸與細胞尺寸相當，而且晶片製作材料眾多、結構設計靈活多樣，因而越來越多地套用於細胞培養。在微流控晶片上進行細胞培養的常用方法是灌流式培養(microfluidic perfusion culture)，是指將細胞懸液注入微通道或者微培養室，待細胞貼壁後，將培養液連續灌入培養區域，實現營養物質的連續更新。以下是一些套用微流控晶片進行細胞培養的研究報導。

單細胞內組分分析

細胞內組分複雜，對細胞內成分的分析和測定、細胞成分間的相互作用的研究，有助於研究者了解體內細胞的代謝過程、細胞內信號轉導和細胞的功能，對疾病的治療和藥物篩選等具有重大的意義。微流控晶片技術的出現為細胞內組分分析提供了一個很好的技術平台。

（1）螢光檢測

Zare研究組設計了一種具有多層聚二甲基矽氧烷(PDMS)結構的微流控晶片，該晶片集成了細胞操縱、試劑引入及運輸、細胞裂解、胞內胺基酸螢光標記、電泳分離及LIF檢測等多種功能，實現了對單個T淋巴瘤細胞內6種胺基酸的檢測。最近，他們又在微流控晶片上操縱、溶胞、標記、電泳分離和測定了單個昆蟲細胞(SF9)中的低含量蛋白質。Culbertson等報導在微流控晶片上高通量操縱單細胞進樣、快速電溶胞、電泳分離和螢光檢測，並將其套用於分子細胞學的研究。

電化學檢測

程介克研究組研製了一種安培檢測微流控晶片系統，採用碳纖維納米電極。他們用該裝置系統成功地測定了小鼠PC12細胞中的多巴胺。與傳統的微電極相比，其靈敏度和解析度都大大提高了。Wang等採用微流控裝置結合電化學檢測研究了測定人單個血紅細胞中谷胱甘肽(GSH)的方法，細胞的進樣、定位、溶膜以及細胞中谷胱甘肽的轉移和檢測都在配有通道端安培檢測器的雙T形晶片中完成。