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化学发光检测在微流控芯片中的应用综述

2012-01-08奚忠华许丹科

化学研究 2012年3期
关键词:微流磁珠化学发光

奚忠华,许丹科

(南京大学 化学化工学院,生命分析化学国家重点实验室,江苏 南京210093)

化学发光检测在微流控芯片中的应用综述

奚忠华,许丹科*

(南京大学 化学化工学院,生命分析化学国家重点实验室,江苏 南京210093)

综述了近年来化学发光检测在微流控芯片中的应用.指出微流控芯片(又称为“芯片实验室”或者“微型全分析系统”)因具有小型化、集成化和自动化等特点而在近20年来日益受到关注,而化学发光检测具有仪器结构简单、背景噪音低、操作和维护成本低等优点,非常适合用作微流控芯片的检测手段.

化学发光检测;微流控芯片;应用;综述

20世纪90年代,MANZ等提出了以微机电加工技术为基础的“微型全分析系统”(μTAS).μTAS的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化,最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中,甚至是芯片上.因此本领域有一个更通俗的名称“芯片实验室”(LOC).目前在微流控芯片分析中应用最广泛的检测器类型包括:激光诱导荧光检测器,电化学检测器以及质谱检测器.这三类检测器都具有很高的灵敏度,但是激光诱导荧光检测器和质谱这两种检测器需要使用复杂和昂贵的设备,同时也难于实现手持化.电化学检测由于其高灵敏度、仪器结构简单和低成本,在微流控设备小型化研究方面取得了显著进步,但是在实际使用时,真实样品容易污染电极表面从而影响检测.化学发光检测系统不需要光源,避免了背景光及瑞利散射等杂散光的干扰,并能够提供与激光诱导荧光检测相近的灵敏度,同时具有仪器结构简单、操作方便、线性范围宽、分析速度快、价格便宜等优点,有利于微流控芯片分析系统的集成化和智能化,能实现真正意义上的微型化,因而成为微流控芯片最具吸引力的检测方法之一.

1 化学发光检测

化学发光是由化学反应所释放的化学能激发了体系中某种化学物质分子,当受激的分子跃迁回到基态时而产生的光发射.根据化学发光的强度测定物质含量的分析方法叫化学发光分析法.化学发光法由于它具有仪器简单、检测限低、线性范围宽等优点,在化学分析方面越来越受到关注.与分光光度法和荧光光度法相比,化学发光法不需要外光源,从而减少了瑞利散射和拉曼散射,降低了噪音信号的干扰,提高了检测的灵敏度,扩大了线性动态范围.目前化学发光分析法已经广泛应用于环境科学、生命科学、食品和药品等领域.

1.1 化学发光检测器

微流控化学发光分析中化学发光检测器是采集信号的关键.目前在微流控化学发光分析中常用的检测器主要有:光电倍增管(PMT)和CCD检测器.另外,一些能集成至芯片的检测器也有报道,如光敏胶片[1]、CMOS阵列[2]、薄膜晶体管光敏器件[3]、薄膜有机光电二极管[4]、硅光电探测器[5]等.光电倍增管检测器具有很高的灵敏度,非常适合单通道的信号检测.CCD检测器则是一个二维的检测器,虽然灵敏度不如PMT检测器,但是由于其二维特性决定了它是一个非常好的多通道检测器,因而在需要多通道检测或多点检测时CCD检测器是更优的选择.如在使用微阵列的微流控芯片中,都采用CCD作为检测器.对于多通道的检测还可以使用光敏胶片,胶片集成在芯片上,测试完成后再取下分析数据.薄膜晶体管光敏器件和薄膜有机光电二极管同样可以集成在芯片上,与化学发光源直接接触,光子收集效率较高,可提供媲美光电倍增管的灵敏度.

1.2 化学发光试剂

化学发光试剂的使用是整个微流控化学发光分析的关键,一般来讲化学发光试剂在分析过程中的使用类型主要有以下几种:第一种是待测物为化学发光反应的催化剂,或者是可以显著增强化学发光的增强剂,此类物质可通过直接检测化学发光强度来确定待测物的含量.第二种是待测物可猝灭化学发光过程,这样也可以通过检测化学发光强度的变化来确定待测物含量.第三种情况是更为普遍的,即待测物与化学发光试剂本身无作用,这时一般需对待测物进行标记,使其具有催化化学发光反应的能力,或者加入试剂与待测物反应生成可检测物质,其检测过程类似第一种情况.表1对文中所列参考文献使用的化学发光试剂进行了简单小结.

表1 微流控芯片中化学发光反应常用试剂和分析物Table 1 Analytes and chemiluminescence reagents reported on microfluidic chip

2 均相微流控-化学发光分析

2.1 芯片电泳-化学发光分析(MCE-CL)

芯片电泳(MCE)的分离原理同毛细管电泳类似.芯片电泳以电渗流作为流体驱动力,一般采用十字通道来进样(HUANG等曾报道过使用流动注射技术来为芯片电泳进样[6])和分离,同时芯片上带有多个储液池,使用时还需要高压电源提供动力.MCE-CL分析系统可应用于生物分子检测[7-9],免疫分析[10-11],单细胞成分分析[12-15],金属离子的检测[16-19],抗氧化剂检测[20],药物分析[21]等方面.

ZHAO等[12]设计了一套微流控化学发光检测分析系统用于单细胞成分检测,并成功地应用于血红细胞中谷胱甘肽含量的测定,其结构见图1.微流控芯片安装在一台倒置显微镜上,显微镜的作用是观察样品进样时待分析细胞的位置,便于控制电压和时间,确保细胞进入分离通道.细胞内的谷胱甘肽首先使用重氮鲁米诺标记,然后单细胞进样,并在线加电压解离,接着芯片电泳分离.样品分离后与氧化剂次溴酸钠反应产生化学发光,光线经显微镜的透镜进入安装在显微镜上的光电倍增管转换成点信号并被计算机软件记录下来.使用此系统检测谷胱甘肽的含量其线性范围在0.2~9.0×10-17mol,检测限可以达到5×10-20mol(或3.6×10-9mol/L).与以往报道的激光诱导荧光检测单细胞中谷胱甘肽含量的方法相比,此方法灵敏度要高100倍.同样利用此系统,ZHAO等还分析了多种细胞中的成分,如对大鼠肝细胞中的维生素C和氨基酸(色氨酸,甘氨酸,丙氨酸)的检测[13],对血红细胞中的巯基化合物(半胱氨酸,谷胱甘肽,血红素)的检测[14],以及在大鼠纤维肉瘤细胞中牛磺酸和氨基酸(丙氨酸,甘氨酸,色氨酸,谷氨酸,天冬氨酸)含量的定量分析[15].除了可以对单细胞进行分析外,该系统还可以用于其他生物样品的分析[8-9].

图1 用于单细胞检测的MCE-CL系统结构图[12]Fig.1 Schematic of the integrated MCE-CL system for single cell analysis[12]

KAZUHIKO等[18]使用MCE-CL系统检测了金属离子,采用十字交叉通道的微流控芯片,光电倍增管直接面对电泳通道末端废液池,检测化学发光强度.经电泳分离进入废液池的金属离子作为催化剂催化1,10-菲咯啉和 H2O2的化学发光反应.使用该方法分析 Ru(III),Rh(III),Pd(II),Os(VIII),Ir(III)和Pt(IV)的混合溶液,只需要2.5min,对Os(VIII)的检测限可达到7.5×10-12mol/L,对Cu(II)的检测限可达到7.5×10-9mol/L.WANG等[19]采用金属离子作为待分析物来检验其设计系统的可靠性,由于采用了环形通道来增加光强信号,对Cu(II)的检测可以获得更低的检测限,为1.1×10-10mol/L.

KAZUHIKO等[20]使用MCE-CL系统分析抗氧化物的含量.芯片的废液出口不采用废液池形式而是另加上了一路微流管道用于废液排出和H2O2引入,微流管道用黑胶带缠绕,于分离通道末端结合部设置一个检测窗口(2mm×2mm),用于检测化学发光信号.由于鲁米诺和催化剂Cu(II)已经加至缓冲液中,所以系统运行过程中检测器会一直检测到化学发光,而当抗氧化剂峰出现时,由于其对化学发光反应会起猝灭作用,化学发光强度因此下降,在谱图上出现负峰.利用该芯片,他们成功地实现硝基四氮唑和超氧化物歧化酶的分离和检测.

ZHAO等[22]将化学发光能量共振转移应用于芯片电泳的信号检测.鲁米诺和次溴酸钠的化学发光体系中加入CdTe量子点,能观察到明显的化学发光能量共振转移,而一些有机物(如生物体内的氨基酸等)的存在会抑制该过程,这种抑制作用反映到芯片电泳谱图上就是信号的降低(负峰).应用此体系数十种氨基酸被成功地分离与检测,且检测灵敏度比以往的MCE-CL方法要高10倍至1 000倍.

芯片电泳作为一种分离手段在微流控芯片的未来发展中仍然占据一个重要地位,它会被作为一个分离单元集成到一个微流控芯片中.

2.2 基于流动注射(FI)的微流控-化学发光分析

流动注射分析作为一种自动采样及样品前处理的技术已经得到广泛应用.基于流动注射分析技术发展的微流控芯片分析,可以称之为微流动注射芯片.此类芯片可用于离子检测[23-24],环境分析[25-27],药物分析[28]以及葡萄糖[29]和氨基酸[30]等的检测.在简单的流通式微流动注射芯片上还可以集成控制流体的微阀[31-33],微反应器[29]以及加入固定相[31-32,34-35],集成的这些新单元可以拓展微流动注射芯片的使用范围.

徐溢[29]设计了一种带微混合器和反应器的芯片用于葡萄糖的检测.葡糖糖经葡萄糖氧化酶氧化生成H2O2,H2O2在过氧化物酶的催化下与鲁米诺发生化学发光反应,从而间接完成对葡萄糖的检测.LI等[33]设计了一种用于微流动注射芯片的热驱动微阀,该阀以聚N-异丙基丙烯酰胺为材料,这种高分子凝胶由于较低的临界溶解温度(32℃)使其可以快速地进行相转变.通过控制阀体的温度来控制阀打开或关闭,通过多个阀体的组合,可以方便地控制芯片通道内流体的流向,从而完成样品的导入,并且进样量具有较高的稳定性.

从目前的发展来看,微流动注射技术也是微流控芯片的一个组成部分,它与其他技术一起组成一个功能复杂且自动化的芯片实验室.

3 非均相微流控-化学发光分析

非均相微流控化学发光分析一般有两种形式,一种是基于微流控芯片通道内部的,具体方式可以是直接在通道内部进行化学修饰,或者是在微流控芯片制作时将生物芯片(微阵列)引入其通道底部.另一种是在芯片内引入其他物质作为载体,此类物质一般安置在芯片上特别设计的反应池内,具体有微珠(玻璃珠,磁珠或高分子小球)、分子印迹材料、离子交换树脂等各类材料.其中磁珠由于其特有的磁性,可以通过磁场来控制,安置位置更具灵活性.

3.1 基于通道内部修饰的微流控化学发光分析

BHATTACHARYYA等[1]设计了一种直接在芯片通道底部进行化学修饰的多通道微流控芯片,用于疾病的生物标识物的检测,由于芯片是多通道的设计,因此可以同时在不同通道中进行多个样品的运行.作者使用了两种检测方法检测信号,一种方式是使用可检测化学发光信号的成像仪;另外一种是使用可快速曝光的胶片.对于得到的信号使用来自Bio-Rad的“Quantity One”分析软件处理计算出的信号强度.使用此系统对C反应蛋白的测试结果与使用标准的ELISA方法得到的结果吻合.

WANG等[5]设计了一个微流控芯片用于CD4+T细胞的计数分析,芯片通道由许多微柱组(一个中心圆柱和周围3个弧形柱为一组)组成.通道内首先修饰抗体(anti-CD4),anti-CD4抗体会结合样品中的单核白血细胞和T细胞,再加入HRP标记的anti-CD3抗体,该抗体只与T细胞作用,最后通入化学发光试剂产生化学发光,通过一个硅光电探测器转换成光电流,通过电流大小得出细胞的数目.

WEBSTER等[36]设计了一个微流控芯片卡盒可用于过敏原等其他多组分样品的检测,卡盒上集成5个试剂池和5个微泵以及一个反应区(底层材料为黑色硅橡胶,黑色方便化学发光检测)和一个废液池,其中反应区的通道内固定微阵列.在芯片加工成型后,反应区硅橡胶上喷涂上多孔的硝化纤维素层,待硅橡胶烘干后再将过敏原提取物和其他分析目标物通过点样方式在通道内排成阵列,试样烘干后再将芯片封装好,进行测试,测试时使用一套优化好的步骤自动进行,最后的化学发光通过CCD检测器来检测,整套系统全部由计算机控制.通过此种方法可获得比目前市场上过敏原定量分析方法更高的精确度.

CHRISTOPHE等[37-38]提出了一种名叫“macromolecules to PDMS transfer”的方法,使用该方法可以将蛋白质固定在PDMS芯片表面.在他们的工作中,兔IgG或C反应蛋白抗体溶液通过点样仪点样至特氟隆阳模上,待溶液干后将液态的PDMS浇至其表面,再待PDMS固化后将PDMS膜从模具上取下,这样就得到表面带有蛋白点的PDMS膜.使用这种膜可以用来捕捉类风湿因子和游离C反应蛋白,接着再与过氧化物标记的抗体结合进行化学发光检测.CHRISTOPHE等[39]为此类PDMS生物芯片制作了一个微流控芯片,该芯片在每组点样点上方设置一个反应池,各个反应池串联起来成一个整体.这样就将生物芯片与微流控芯片结合起来,使用此芯片检测过敏原抗体,得到的结果与Pharmacia公司经典的CAP系统的检测结果相当.

3.2 基于微珠的微流控化学发光分析

普通的微流控芯片在进行分析时,通道的表面积较小,修饰后信号可能也无法达到满意的程度,微珠(microbead,包括玻璃珠、磁珠、高分子小球等多种类型)的使用则可以增加表面积.而微珠中的磁珠更因为具有磁性,易于控制,使用非常广泛.

KAZUHIKO等[11]在MCE-CL系统中将玻璃珠置于储液池中作为免疫分析的媒介检测肿瘤标识物.首先在样品储液池中放置玻璃珠(直径1mm),玻璃珠上固定抗体,在储液池内进行竞争免疫反应,反应结束后产物通过MCE进行分离,最后在废液池内发生化学发光反应,并被上方的光电倍增管记录信号.

HUANG等[40]设计了一种基于磁珠的微流控化学发光免疫分析方法用于检测甲胎蛋白.磁珠通过芯片通道底部的磁铁固定在通道内,测试时打开磁场,首先通入交联了甲胎蛋白抗体的磁珠,待冲洗后,再加入甲胎蛋白标品,再次冲洗后通入辣根过氧化物酶标记的甲胎蛋白抗体,冲洗后加入化学发光试剂,同时检测化学发光信号.最后可以关闭磁场,再将磁珠排出微流控芯片通道,这样芯片可以重复使用.

ZHENG等[41]在MCE-CL系统中利用磁珠固定酶来催化化学发光反应(辣根过氧化物酶,葡萄糖氧化酶)以此来检测H2O2和葡萄糖.固定在磁珠上的酶具有很好的催化活性和耐久性,同时由于磁珠良好的分离性,使其重复使用性也较好,文献中报道运行20次样品,信号仍很稳定.

3.3 其他非均相微流控化学发光分析

在微流控化学发光分析中除了可以加入微阵列和磁珠外,还可以加入其他类型固定相,如离子交换树脂[31]、分子印迹材料[32,34-35]等.通过加入固定相可以用来固定反应试剂或者捕捉、富集目标分子,从而提高检测灵敏度.

刘海生等[26]设计了一种将微注样阀和发光试剂均集成化的微流动注射化学发光芯片.芯片制作时留有一个树脂池,填充阴离子树脂,阴离子树脂上固定Luminol和K3Fe(CN)6,这样就将化学发光试剂集成到芯片中.该芯片结合酶促反应成功地用于人体血清中葡萄糖的测定.

WISANU等[35]设计了一个基于分子印迹的微流控芯片用于检测蜂蜜中的氯霉素,其核心部分为微流控芯片上的储存分子印迹材料的反应池,待测物以及化学发光试剂等通过注射泵输入到芯片上的微通道,进而在反应池内发生反应,最后使用光电倍增管检测反应池内化学发光的强度.使用此方法检测氯霉素可以得到很好的灵敏度.

4 展望

微流控芯片化学发光分析的应用领域很广.目前主要是向着多通道分析、多样品分析、自动化集成化分析这几个方向发展.目前各个实验室研制的能实现自动化分析的仪器在多通道能力上尚有欠缺,而且微流控芯片化学发光分析还没有正式的商业产品推出,可以说今后发展的道路依然很长.需要解决的问题主要有:(1)设备的小型化.化学发光检测已经为设备小型化提供了很好的条件,未来研发新型且低成本的可集成至芯片的二维检测器将使得分析系统更加小型化.微流控芯片化学发光分析离不开化学发光试剂,研究试剂集成至芯片的方法也是设备小型化面临的一个挑战.(2)使用寿命.现在的微流控芯片的使用寿命都很有限,MCE的芯片使用寿命也就是上百个样品运行,其他类型的芯片有些甚至是一次性的,这对于大规模应用来说无疑是致命的.(3)多通道多样品运行.多通道多样品分析能力是最关键的,它可以大大缩短分析时间并且降低使用成本.目前的多通道检测一般通过CCD来进行,由于CCD的检测灵敏度较低,测试时往往需要曝光较长时间(3~10min).这可以通过研制更灵敏的检测器和新的更强更稳定的化学发光试剂来解决.

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Review on application of chemiluminescent detection for microfluidic chip

XI Zhong-hua,XU Dan-ke*
(State Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science,School of Chemistry & Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing210093,Jiangsu,China)

A review is provided of the application of chemiluminescent detection for microfluidic chip in recent years.It is pointed out that microfluidic chip(also known as“lab on a chip”or“micro total analysis system”)has increasingly attracted attention in the past two decades,due to its advantages including miniaturization,integration,and automation.Besides,it is also suggested that chemiluminescence detection has the advantages of simple facility,low background noise,and low costs for operation and maintenance.This makes it feasible to adopt chemiluminescence detection as a suitable detection technique for microfluidic chip.

chemiluminescent detection;microfluidic chip;application;review

O 65

A

1008-1011(2012)03-0088-07

2011-11-10.

奚忠华(1982-),男,硕士生.研究方向:蛋白芯片的化学发光检测和可视化检测.*

E-mail:xudanke@nju.edu.cn.

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