33、基于硅基微流控系统的核酸分析技术

基于硅基微流控系统的核酸分析技术

1 从试管到芯片的变革

大约半个世纪前，用集成电路（IC）取代真空管的想法开启了微电子领域的新时代。受电子设备小型化成功的启发，研究人员如今致力于将这一趋势拓展到生命科学领域，用微流控芯片取代传统的试管。若这一技术取得成功，有望使目前主要局限于临床实验室的生物分析过程实现分散化。

当前的做法是将临床样本堆积在一起，然后通过液体处理机器人一次性处理。这些机器人就如同曾经占据研究实验室的大型主机，而如今个人电脑因体积更小、价格更便宜、性能更强大而进入日常生活。

研究的一个关键动力是开发一种便携式小型化系统，使复杂且需要专业技能的生物分析过程能够在微小的芯片或盒式装置上进行，即使是实验室外相对缺乏专业技能的人员也能操作。这种装置通常被称为“芯片实验室（LOC）”或“微全分析系统（μ - TAS）”。小型化还带来了诸多好处，如减少样本和试剂的消耗、加快生物分析速度、提高效率和准确性。在生物分析检测中，筛查特定核酸靶序列的分子检测被称为核酸探针检测，具有更高的灵敏度和特异性。

基于靶核酸检测的即时诊断设备的设想如图所示，该设备以人体的原始样本为输入，无需任何干预即可自动输出检测结果。它利用 LOC 或 μ - TAS 按顺序执行三个关键任务：从给定的原始样本中提取和纯化核酸、进行核酸扩增以及检测现有的靶序列。核酸扩增涉及一种生化反应，可将靶序列合成到可检测的水平。理想情况下，希望在一个“自给自足”且“完全封闭”的一次性盒式装置中完成这三个任务，该装置将所需试剂和反应废物存储在独立的隔室中。“自给自足”意味着盒式装置仅需用户提供原始样本，而“完全封闭”则表示一旦提供了原始样本，盒式装置就形成一个真正封闭的系统，不会将其内容物暴露到外部。这两个特性