微污染物微生物活性的微流控芯片直接检测制药工程专业文献综述本科学位论文.doc

2015届制药工程专业毕业论文—文献综述微污染物-微生物活性的微流控芯片直接检测1.研究的目的和意义环境监控已越来越为人们所需要，这就要求有合适的实时检测设备。微流控芯片（MicrofluidicChip）将化学、生物、医学等领域所涉及的样品的选择、制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一个几平方厘米（甚至更小）的微芯片上，通过微通道结构来控制流体流动，从而完成不同的化学或生物反应过程，并对其产物进行分析，它为生化分析新局面的开创提供了一个新的研究平台。通俗点，就是将实验室搬到微芯片上，微流控芯片为环境监控提供了一种合适的分析监测设备。本文介绍了以色谱纸为基材制作了纸基微流控芯片的基本概况、芯片的发展现状、芯片的制作、芯片检测方法，并将纸基微流控和微污染物-微生物的活性相结合，对微污染物-微生物活性的微流控芯片直接检测进行了初步研究。2.微流控芯片的基本概况一种新兴的芯片技术——微流控芯片技术以其快速分析、低消耗、微型化和自动化等特点发展非常迅速。微流控芯片（又称芯片实验室）是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。它具有将化学和生物实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，已经显示了重要的应用前景。该技术是在分析化学领域发展起来的，它以分析化学为基础，以微机电加工技术、微流体驱动或者控制、检测技术为依托，以微通道网路为结构特征，以化学和生命科学为主要应用对象，把整个实验室的功能集成到芯片上，而且制作简便，作为一种新兴的科学技术，微流控研究已经涉及化学、生物学、工程学和物理学等诸多领域，学科交叉性强，分析化学则是其第一轮也是最直接的一个应用领域[1]。近年来，微流控研究发展迅速，技术创新层出不穷，应用领域不断拓宽。9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述3.微流控芯片的发展现状微型全分析系统（MiniaturizedTotalAnalysisSystems,μ-TAS）的概念是1990年Manz和Widmer等人首次提出来的，目前已经发展为世界上最先进的科学技术之一。微型全分析系统（MiniaturizedTotalAnalysisSystems,μ-TAS）或称芯片实验室（Laboratory-on-a-Chip，简称LOC）是一个跨学科的新领域，其目标是通过分析化学、微机电加工（MEMS）、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化。微流控芯片（MicrofluidicChip）、生物芯片（Biochip）和芯片实验室（Lab-On-Chip,LOC）都属于片μ-TAS的范畴[2-3]。以微流控技术（Microfluidics）为基础的微流控芯片是其核心技术。微流控分析芯片最初只是作为纳米技术革命的一个补充，在经历了大肆宣传及冷落的不同时期后，最终却实现了商业化生产。微流控分析芯片最初在美国被称为“芯片实验室”（Lab-On-Chip），在欧洲被称为“微整合分析芯片”（MicrototalAnalyticalSystems），随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展，微流控芯片也得到了迅速发展，但还是远不及“摩尔定律”所预测的半导体发展速度[4]。今天阻碍微流控技术发展的瓶颈仍然是早期限制其发展的制造加工和应用方面的问题。芯片与任何远程的东西交互存在一定问题，更不用说将具有全功能样品前处理、检测和微流控技术都集成在同一基质中。由于微流控技术的微小通道及其所需部件，在设计时所遇到的喷射问题，与大尺度的液相色谱相比，更加困难。上世纪80年代末至90年代末，尤其是在研究芯片衬底的材料科学和微通道的流体移动技术得到发展后，微流控技术也取得了较大的进步。为适应时代的需求，现今的研究集中在集成方面，特别是生物传感器的研究，开发制造具有超强运行能力的多功能芯[5-6]片。4.微流控芯片制作目前的现状9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述微流控芯片的制作就是在所选用的芯片材料上制作出微通道，然后在制作好的微流控芯片上进行样品的前处理、分离、反应和检测，因此需要采用特定的微细加工技术。微加工技术就是将设计好的图形高精度的转移到芯片上的技术，由于用于微流控芯片制作的材料比较多，它们的化学性质也千差万别，因此加工微流控芯片的方法也就比较多[7]。其中纸质微流控芯片是近期发展起来的一种新的微流控芯片形式。与普通意义上的微流控芯片基材相比，它具有成本低、制备简单、无需复杂外围设备等特点，非常适用于发展资源匮乏条件下的生化检测新方法。由于色谱纸是由纤维素组成的，是亲水性的，允许水溶液通过纤维层，这样的性质就为用色谱纸来制作微流控装置提供了基础。纸基微流控就是以色谱纸作为芯片材料，使用光刻技术、喷墨印刷技术、蜡印刷技术、打印PDMS和等离子体氧化等技术制作而成。这种低成本的纸基微流控诊断和分析装置对于一些发展中国家、偏远地区或者是家庭式的床前检验是很有帮助和吸引力的。由于它具有携带方便、可一次性使用、成本低廉、所需样品的体积小、分析速度快、可以进行多种物质同时检测等优点，已经被越来越多地应用于化学、生物、医学等领域，而且有着很好的发展前景[8]。4.1光刻法光刻法[9]就是在纸上形成微通道来制作纸基微流控，主要包括以下步骤：（1）首先将SU-8光刻胶均匀涂覆于色谱纸上（使用旋转涂胶仪涂覆或者将色谱纸浸入SU-8光刻胶中进行涂覆）；（2）其次将涂好光刻胶的色谱纸在95℃下烘干大约10min（不同的文献中根据实验要求采用的烘干温度也有所不同）；（3）然后将一张已经制作好的光掩膜覆盖于色谱纸上，在紫外灯照射下进行曝光处理，于95℃下再次烘干1-3min，将曝光后未聚合的光刻胶用丙酮除去，从而在色谱纸上形成微流控通道；（4）最后将制作好的纸基微流控在室温条件下干燥lh即可进行实验。光刻法虽然是应用最多的制作纸基微流控芯片的方法，但是它存在两个缺点：（l）坚硬的光刻胶憎水区容易受到弯曲、折叠而被破坏；（2）光刻技术需要昂贵的仪器设备，且光刻胶本身的价格也较贵，整个制作过程需要多个步骤才能完成。9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述4.2喷墨印刷法[10]喷墨印刷法制作纸基微流控包含两步，用疏水性的烯基烯酮二聚体-庚烷溶液代替墨汁装入重组的数字喷墨打印机中，将设计好的微通道图案打印到色谱纸上，烘干8min使烯基烯酮二聚体凝固，凝固以后打印区域变的疏水性，而没有打印的区域仍然是亲水性的，这样就制作好了纸基微流控装置。喷墨印刷可以将生物分子试剂或指示试剂精确地传输到微流控反应区域形成生物化学传感区。通道区域和检测区域的制作只需要简单的印刷步骤即可完成，这样制作好的纸基微流控传感器可以用于特定的试验或者进行定量分析试验。通过喷墨印刷制作的纸基微流控装置可以承受严重的弯曲、折叠，而且制作所用的烯基烯酮二聚体相比SU-8光刻胶非常便宜，另外用喷墨印刷法制作纸基微流控时可以按照需求随意改变打印的图案。4.3蜡印刷[11]用蜡印刷方法制作纸基微流控分析装置是指用合适的加热装置使蜡在色谱纸上熔化形成憎水区，它的制作过程包含两个核心步骤：（l）将固体蜡印刷在色谱纸表面上；（2）加热使蜡融化进入色谱纸的纤维层内形成完整的憎水区，这样的研究工作己经被独立的进行并完成。4.4在纸上打印PDMS[10]9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述使用一种改进的台式绘图仪，通过将憎水的PDMS聚合物溶解在己烷中形成的溶液打印在色谱纸上来形成一些简单的微通道，这种方法克服了使用光刻法制作成的纸基微流控装置的不灵活性。PDMS渗透入色谱纸内形成一堵水溶液无法通过的僧水墙，水溶液通过毛细管作用而进入亲水通道中。这种方法相对SU-8光刻胶的优点是PDMS是一种弹性纤维，它打印在色谱纸上时比光刻胶更具有柔韧性和弹性，因此纸基微流控装置可以任意弯曲、折叠而没有破坏通道的完整性。而且PDMS较SU-8光刻胶便宜，也不需要在一个洁净间里完成这个工作，更为重要的是它不需要光刻时的曝光、显影等步骤，制作过程更为简单、快速。由于所使用的溶剂表面张力较小，PDMS可以很容易的渗透入色谱纸内，而色谱纸不是一个均一的、多孔、疏松材料，所以不能很好的控制PDMS的渗透，这样就导致了制作出的纸基微流控的憎水区边缘不直。4.5等离子体氧化[12]用等离子处理技术来制作微流控图案制作过程如下：首先将色谱纸浸入到烷基烯酮二聚体-庚烷溶液当中使色谱纸疏水化，然后马上将其置于通风橱内使庚烷挥发，再将色谱纸置于100℃烘箱中45min以使烷基烯酮二聚体凝固，这样得到的色谱纸就变得疏水化。接着将纸基夹在金属膜（上面有设计好的图案）之间，置于15W强度的真空等离子反应器中15s，就在纸基上形成了亲水区。用等离子处理技术不会在纸上留下明显的标志，而且还保持了色谱纸原有的柔韧性和表面形貌，等离子处理过的亲水区域可以被水或水溶液湿润而且允许溶液通过毛细管作用流动。和以前文献所报道的纸基微流控的制作相比，这种新方法的最大优点是不仅可以用于样品检测，而且可以将一些功能单元如控制开关、微量过滤器、微型反应器集成在纸基微流控分析装置上，使它的应用更为广泛。5.微流控芯片用于微污染物-微生物活性检测技术目前的现状微生物对人类生活有着巨大影响，微生物的快速、准确检测在环境监测、食品安全检测、微生物研究等方面具有重要意义。目前用于表征微生物活性的指标有微生物量、菌种、各种酶（如脱氢酶、水解酶等）活性、ATP含量以及耗氧速率OUR等，微生物存在于水体、土壤、大气中。常规微生物活性检测方法主要有培养法、免疫学方法、分子生物学方法等，但存在耗时长、费用高、对设备、人员及环境等要求高的问题。近年来，以微机电加工（MEMS）为依托的微流控芯片分析技术为微生物检测提供了新途径。微流控芯片分析系统可以集成多种不同的操作单元，易于实现高通量的分析，便于实现系统微型化，样品和试剂耗量极少，检测手段更为丰富，在微生物分析检测领域备受关注[13]。9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述微流控研究中的重点问题包括检测系统的微型化。与传统的仪器分析系统相比，微流控芯片的检测系统需要具备更高的灵敏度、更好的选择性、更快的响应速度、更好的信噪比等特点。在微流控芯片的分析过程中，可供检测的样品进样体积小（微升、纳升甚至皮升），并且检测的区域一般也很小，因此对检测器的要求很高，需要有较高的灵敏度；而且由于微通道尺寸小，因而试剂与样品的混合、反应、分离等过程往往在很短的时间内（秒级）完成，因此，微流控芯片分析系统的检测器应该具有较快的响应速度。5.1比色分析纸基微流控在比色分析中应用较为广泛，也最为简单使用光刻法制作了纸基微流控装置，然后在上面滴加不同颜色、不同体积的染料，通过用扫描仪或者其他设备来记录、比较颜色的强度，从而进行比色分析[14]。5.2电化学分析电化学分析本身具有仪器简单，成本低，灵敏度高，选择性好等特点，这和纸基微流控结合起来可能是有益的。先用光刻技术在色谱纸上制作微流控通道，接着采用丝网印刷技术在纸微流控上制作了三电极系统，然后用循环伏安法来解释一些物质如葡萄糖、乳酸、尿酸的电化学行为。纸基微流控电化学传感装置可以对水溶液中的一些重金属离子进行定量分析，并且这种低成本的分析装置在公共健康检查，环境监测中的应用是很有用的[15]。用计时电流分析法对人工尿样中的葡萄糖进行了检测和定量分析，结果显示这种方法有很好的灵敏度和精密度，其检出限为0.22mM（相当于4mg/mL），这比以前所报道的传统的血糖仪（1.0mM）和比色法（0.5mM）的检出限都要低。纸基微流控电化学分析装置为水溶液中生物物质和无机物质的定量分析提供了一个简单、快速、低成本的平台，它具有以下几个优点：（l）将高浓度的检测体系和小装置结合在一起；（2）重量轻，携带方便，可一次性使用，可折叠；（3）重现性好，灵敏度高，精密度高；（4）不需要专业技术人员和复杂的仪器设备，成本低廉。9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述5.3生物样品分析预防和治疗疾病的第一步就是准确的进行诊断，这在经济发达的国家是完全可行的，可是对于一些发展中的比较落后的国家来说就有困难存在。而许多的诊断检测都是依据纸进行分析试验的，这些试验对疾病进行了检查，并且对环境状况进行了分析。对于人类健康的监控来说，生物样品的分析是必要的，传统的实验室的仪器虽然可以对生物样品进行定量分析，但是这些分析仪器往往是大型的，昂贵的，而且需要专业技术人才，以及对生物样品体积的需求也很大，在一些偏远地区比如那些工业不发达的城市，或者紧急情况，或者家庭健康检测是很难实施的，而纸基微流控分析装置可能是最简单的、最便宜的、最好操作的、需要液体量最小的生物医学分析装置，它为生物医学诊断检测提供了更好的平台，比简单的试纸检验更多元化，而且可以同时进行多个样品的平行检测试验，并在相对较短的时间内就可以完成，更快速、方便[15]。例如：糖尿病的检测6.脱氢酶活性（DHA）测定法的发展目前用于表征微生物活性的指标有微生物量、菌种、各种酶（如脱氢酶、水解酶等）活性、ATP含量以及耗氧速率OUR等。废水生物处理及活性污泥消化的实质，是经微生物所产生的多种酶催化一系列的生物氧化还原反应。其中，脱氢酶能使被氧化有机物的氢原子活化并传递给特定的受氢体。因而，脱氢酶的活性可以反映处理体系内活性微生物量及其对有机物的降解活性，以评价降解性能。也可应用该酶活性做为检测金属对活性污泥的毒性指标。因此，脱氢酶活性的检测在废水生物处理中甚为重要[16]。脱氢酶由活的生物体所产生，是一种氧化还原酶，在生物细胞内催化有机物氧化脱氢，并将其传递给最终受氢体，它能够催化氢从被氧化的物体（基质AH）上转移到另一个物体（受氢体B）上：AH+B→A+BH，即酶促有机物质脱氢的作用。因此，脱氢酶活性可以通过加入人工受氢体的办法进行检测。9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述通常用于检测脱氢酶活性的人工受氢体包括TTC（2，3，5一氯化三苯基四氮唑）、刃天青、亚甲基蓝以及取INT（碘硝基氯化四氮唑蓝）等，通常用人工受氢体（指示剂）的还原变色速度来确定脱氢过程的强度。其中研究和应用最广的是TTC，TTC是最早被人们发现并用于生化分析实验中的人工受氢体[17]。各自的原理如下：（1）氯化三苯基四氮唑（TTC）无色接受氢原子而被还原成红色的三苯基甲臢（TF）；（2）对氯化碘硝基四氮唑（INT）接受氢原子被还原为蓝色物质；（3）生物染料亚甲基蓝其测定脱氢酶活性的过程则是一个退色过程，生物新陈代谢过程中，脱氢酶将有机质的氢脱下，使有机质氧化，并将氢转移给氧化性化合物，在无氧条件下亚甲基蓝（蓝色）接收氢转化成还原型亚甲基蓝（无色）；（4）生物染料刃天青测定脱氢酶活性的过程也是一个退色过程，但反应过程稍复杂一些，反应步骤如下图所示：9 2015届制药工程专业毕业论文—文献综述相对于TTC，亚甲基蓝、刃天青的褪色反应不容易控制，而INT零售价格较高，且国内不易买到。参考文献[1]McCormickR,NelsonR,AlonsoAnligoM.MicrochannelElectrophoreticSeParationsofDNAinInjection-MoldedPlasticSibstrates[J].Anal.Chem.1997,69（14）:2626-2630.[2]RobertsM.A,RossierJ.S,BercierP.UVLaserMaehinesPolymerSubstratesfortheDevelopmentofMicrodiagnostieSystems[J].Anal.Chem.1997,69（11）:2035-2042.[3]FabricioRibeirodeSouza,GuilhermeLiberatoAlves,andWendellKarlosTomazelliColtro.Capillary-DrivenToner-BasedMicrofluidicDevicesforClinicalDiagnosticswithColorimetricDetection[J].Anal.Chem.2012,84:9002-9007.[4]MalloryM.Mentele,JosephineCunningham,KirstenKoehler,JohnVolckens,andCharlesS.Henry.MicrofluidicPaper-BasedAnalyticalDeviceforParticulateMetals[J].Anal.Chem.2012,84:4474-4480.[5]周小棉,戴忠鹏,罗勇等.注塑型聚甲基丙烯酸甲酷多通道微流控芯片的研制及其性能考察[J].高等学校化学学报,2005,1（26）:52一54.[6]SweeNginTan,LiyaGe,HsihYinTan,WengKeongLoke,JinrongGao,andWeiWang.Paper-BasedEnzymeImmobilizationforFlowInjectionElectrochemicalBiosensorIntegratedwithReagent-LoadedCartridgetowardPortableModularDevice[J].Anal.Chem.2012,84:10071-10076.[7]宋满仓,王敏杰.微成型技术的现状与发展[J].中国机械工程,2003,14（15）:1-5．[8]殷学锋,方群,凌云扬.微流控分析芯片的加工技术[J].现代科学仪器,2001,4:10-14.[9]唐飞,王晓浩,杨波.PMMA微流控检测芯片的设计与制作[J].纳米技术与精密工程,2009,7（2）:182-1859 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