微生物降解二苯醚类除草剂的研究进展

摘要：微流控芯片技术是在芯片上对化学或生物样品进行操作和检测的一项新兴技术，具有样品体积小、检测效率高、使用成本低、易于和其他技术设备集成以及兼容性好等特点，有望发展为一种便携式检测装置。微流控芯片技术的应用性研究主要集中在医学上，在农业、食品方面还处于起步阶段。本文从微流控芯片相关概念和技术出发，对该技术及其在医学、农业和食品方面的应用进行综述，对其发展前景进行了展望。

关键词：微流控芯片；应用；医学；农业；食品

中图分类号：S 41；R 446.6文献标识码：A

微流控芯片又称微流控芯片实验室或芯片实验室，是指在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物实验室。20世纪80年代末，Terry等在硅芯片上构建了一个气相层析装置对空气进行分析，首次出现了微全分析系统的应用。20世纪90年代初，Manz等开展了芯片电泳的研究，以芯片毛细管电泳作为微流控技术的早期形式并最早提出微全分析系统的概念。2004年美国Business 2.0杂志将芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”，2006年7月Nature杂志发表了一期有关“芯片实验室”的专辑，重点介绍了这一新技术。当前微流控产品的市场年递增速率为15.5%，预计2014年的市场价值将超过30亿美元。

微流控技术因其所需样品体积小、检测效率高、使用成本低且易于和其他技术设备集成，具有良好的兼容性、有望实现便携式检测装置等特点，吸引了众多研究者的关注。微流控芯片制作涉及材料的选择、加工、封接、表面处理、集成、检测等关键步骤。目前微流控芯片主要应用于遗传和单细胞分析、蛋白质研究、细胞迁移、药物筛选、干细胞和神经细胞培养等，这些应用大多集中在医学，在农业、食品方面的应用起步较晚且处于萌芽期。本文从微流控芯片相关概念和技术出发，对该技术在医学、农业和食品方面的应用做一综述，简要分析微流控技术发展方向，并就其前景进行展望。

微流控通常被定义为在几微米至几百微米的通道内对小体积的液体样品进行处理或操作的一门系统科学和技术。微流控也称为微流控芯片或芯片实验室，是指在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物实验室。它把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等操作单元集成到一块芯片上，通过微通道形成网络，用可控流体贯穿整个系统，以实现常规化学或生物实验室的各种功能。图1为不同用途的微流控芯片。

微阵列芯片是指一种将多个相同或基本相同的操作单元或单元群平行地集成在同一芯片上，其基本特征是高通量。如果操作单元或单元群之间有流体连通，这样的微阵列芯片往往就是集成的微流控芯片，如果操作单元或单元群之间没有流体连通，这样的芯片就不是微流控意义上的微阵列。生物芯片一般是指将已知的生物信息固定在载体上，47

通过样品中待分析物与基片上已知的生物信息进行特异性结合来进行检测的技术。它是一种不含微通道，没有液体流动，以生物分子间的静态杂交和高密度点阵为特征的芯片，也可称为杂交点阵芯片。虽然微流控芯片也能有静态杂交反应单元，但静态杂交反应并非微流控芯片所含操作单元的全部。微全分析系统是以样品分析为最终目标的一类微流控芯片的统称，该系统尺寸微小，可以将分析化学领域广泛采用的样品预处理、分离和检测等各种操作单元进行有效集成，是微流控芯片的一个类别。

从概念上可知，微流控芯片技术的本质特征是要有液体将各个单元连通，通过对液体的操作、处理来达到不同的目的。虽然各概念之间存在差异，但在实际的研究和应用当中，各概念所涉及的技术往往是相互交叉的，例如生物芯片可单独使用也可作为微流控芯片的一种检测技术。

2微流控芯片制作方法

微流控芯片制作涉及芯片材料的选择、加工、封接、表面处理以及与其他装置的集成等多个环节，在此就其主要技术进行简要介绍。

2.1材料和制作方法

制作微流控芯片常用的材料是PDMS，又称硅橡胶，具有较好的延展性、化学热稳定性及生物兼容性；对于生物和医学来说，PDMS具有高保真性、良好的光学透明度、固化温度低且无毒，因此细胞可以直接在上面进行培养；可用传统表面改性方法进行表面修饰。另外一些常用材料有硅片、玻璃和热塑性塑料。

目前流行的加工方法有软光刻和激光烧蚀技术。相对传统光刻技术，软光刻更加灵活；在曲面基板上也能制造复杂的三维结构，这对微流控芯片来说非常重要；所需设备简单，无需特殊实验室，并可应用于多种材料；最重要的是在大规模生产中成本较传统光刻法低。另一种加工微流控芯片的方法是激光烧蚀，该方法利用UV或红外CO2激光器来烧蚀聚合物。该方法对掩膜依赖小，制作出的芯片受热结构稳定，灵活性高，但该方法生产效率低，一次只能制作一个芯片且需要标准激光实验室，成本较高。

随着微通道尺寸的缩小，流体和固体表面的相互作用不容忽视。在微米或纳米通道内，表面张力和黏滞力占主导地位，同时毛细管力对几何界面特性也非常敏感。这些改变对微通道内液体的流动特征影响很大，通过表面改性可提高通道表面稳定性，减少目标物与通道表面的相互作用。表面改性方法有多种，依改性剂作用方式可分为静态改性和动态改性。

2.2检测方法

微流控芯片的检测方法主要有毛细管电泳、杂交检测、免疫检测和电化学检测。

毛细管电泳是一个历史悠久且常用的检测方法，该方法已在芯片上进行了集中而广泛的研究。标准的毛细管电泳微流控装置可以被直接改造成PCRCGE整合平台，即芯片PCR之后扩增产物直接注入CGE分离通道内进行检测，以达到提高检测灵敏度和分析速率、减少试剂污染的目的。

基于微流控芯片的DNA杂交检测是基因组分析中应用广泛的检测技术。通常PCR之前要进行样品制备过程，紧接着将待扩增的基因序列与寡核苷酸探针杂交，使待扩增基因序列固定在载体上。传统杂交方法相对较慢并且需要人工转移液体，也需要较多的试剂和较大的样品体积。将PCR片段与固定的DNA探针高度集中，通过提高杂交率可以解决上述不足。在微流控芯片上将免疫测定与上游的PCR整合对人体体液中游离核酸检测具有很大的潜力，特别是在医学上对病原菌的快速检测。

电化学检测由于其体积较小，与高压电源一起可制成便携式分析仪，加之有电化学响应的物质很多，所以在芯片中的应用前景广阔。目前，在集成式PCR微流控芯片中，大多数有关PCR之后的检测都是采用激光诱导荧光检测，此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。光学系统因其难以小型化到一个微流控芯片平台上，而且芯片上需要对光学和微流控装置进行仔细的调整，同时所需的尺寸限制了某些应用。近年来，半导体激光器和光电放大器体积的缩小、短波长二极管激光器的出现、发光二极管的发光强度不断增强等为荧光检测器的微型化提供了有利条件。

3微流控芯片在医学、农业、食品领域的应用

微流控芯片不仅是一门科学也是一门技术。理论上，微流控芯片技术可用于任何涉及流体的科学，其中最直接的应用是化学、生物学和医学，目前其应用涉及疾病诊断、药物筛选、法医鉴定、食品安全、环境监测等人类生活的方方面面。

3.1医学

在医学方面，通过利用微流控芯片在速率和准确率方面的优点，可大大降低医学诊断和药物筛选成本。目前，研究者已将其运用在癌症的研究方面，以期为人类早日攻克癌症提供技术支持。Ziober等开发了用于空腔鳞状细胞癌筛查和诊断的芯片实验室，而且运用类似的方法也可以对其他癌症进行早期筛查。Ziókowska等制作了一种微流控芯片对肿瘤细胞进行长期的培养，并施以不同频率、不同浓度的抗癌药物后观察细胞的变化，以此来评价抗癌药物的活性。相对其他可行的分析方法来说，该方法不需要停止细胞培养就可以对肿瘤药物响应进行长期监测并对响应浓度进行定量测定。在类似体内的微流控环境下，微系统对以细胞为基础的研究来说是一个理想的方法。

目前典型的研究工作是以现场即时检测为代表的微流控芯片诊断。Chin等开发了一种POC装置用于传染病的早期检测。该装置可忠实地复制酶联免疫吸附法的所有步骤，不仅可以用1 μL未处理的全血进行HIV的诊断，也可以对HIV和梅毒进行同时诊断。POC检测除了具有小型、便携、快捷、方便等优点外，其诊断范围也广泛，包括癌症和许多地方病，因而适用于发达国家的家庭和发展中国家的偏远贫困地区，有效推动全球健康水平的提高。

3.2农业

在农业生产中，造成农作物减产的一个重要原因就是各种病原菌导致的病害；在畜牧业，牲畜出现患病将导致严重的经济和安全后果。因此，无论是种植业还是畜牧业，对相关病原体进行跟踪，可以进行疾病的早期干预，有效预防病害发生。微流控芯片技术具有较低检测阈值，可以在患病初期未显症之前进行诊断，为防治节省时间，也可作为疾病预测的新技术。