四大微流控芯片相關(guān)技術(shù)

1、微流體控制及驅(qū)動(dòng)技術(shù)

微流控芯片中流體的操控尺度在微米量級(jí)，介于宏觀尺度和納米尺度之間，這種尺度下流體運(yùn)動(dòng)顯示出二重性。一方面，微米尺度仍然遠(yuǎn)大于通常意義上分子的平均自由程，因此，對(duì)于其中的流體而言，連續(xù)介質(zhì)定理成立，連續(xù)性方程可用，電滲和電泳淌度與尺寸無(wú)關(guān)。另一方面，相對(duì)于宏觀尺度，微米尺度上的慣性力影響誠(chéng)小，黏性力影響增大，雷諾數(shù)變?。ㄍǔＴ?06-101之間），層流特點(diǎn)明顯，傳質(zhì)過(guò)程從以對(duì)流為主轉(zhuǎn)為以擴(kuò)散為主，并且面體比增加，黏性力、表面張力及換熱等表面作用增強(qiáng)，邊緣效應(yīng)增大，三維效應(yīng)不可忽略。與此同時(shí)，微米尺度和納米尺度又有很多重要的區(qū)別。在納米尺度下，物體的尺寸和分子平均自由程相近，因此電泳淌度變得和橫截面尺寸有關(guān)，偶電層電荷重疊，電滲減少，進(jìn)而影響到給予流體的動(dòng)量。此外，空間的壓縮會(huì)改變大分子的形狀，大分子的淌度也將受到非平面流速矢量場(chǎng)的影響，最終導(dǎo)致對(duì)流體的控制相對(duì)困難回。

2、分離技術(shù)

分離是微流控芯片樣品分析的重要一步。芯片中分離毛細(xì)管槽負(fù)載了大部分外加電壓，其場(chǎng)強(qiáng)多在200一500V/cm之間，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量設(shè)法降低負(fù)載電壓［4。為了提高分離的效率，微流控芯片中使用了許多方法，如Kutter根據(jù)HPLC中梯度洗脫的方法，設(shè)計(jì)了兩個(gè)緩沖液池，內(nèi)裝不同極性的緩沖液，以不同的體積比混合緩沖液，再以此混合液作樣品的支持電解質(zhì)，實(shí)驗(yàn)表明效果較好，分離時(shí)間小于1min［5］。

3、微液滴技術(shù)

微液滴操控包括微液滴生成和微液滴驅(qū)動(dòng)，按生成方式可以將操控微液滴的方法分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是被動(dòng)法，即通過(guò)對(duì)微通道結(jié)構(gòu)的特別設(shè)計(jì)使液流局部產(chǎn)生速度梯度來(lái)對(duì)微液滴進(jìn)行操控，主要為多相流法問(wèn)。該法的主要特點(diǎn)是可以快速批量生成微液滴;另一類(lèi)是主動(dòng)法，即通過(guò)電場(chǎng)力、熱能量等外力使液流局部產(chǎn)生能量梯度來(lái)對(duì)微液滴進(jìn)行操控，主要包括電潤(rùn)濕法口、介電電泳法［同、氣動(dòng)法［？）和熱毛細(xì)管法0］。該法的主要特點(diǎn)是可以對(duì)單個(gè)微液滴的操控。與傳統(tǒng)連續(xù)流系統(tǒng)相比川，離散化微液滴系統(tǒng)有一系列潛在優(yōu)勢(shì)，如消耗樣品和試劑量更少，混合速度更快，不易造成交叉污染，易于操控等。

4、檢測(cè)技術(shù)

分離物的高靈敏度檢測(cè)對(duì)于微流控芯片有著重要意義。目前，微流控芯片的檢測(cè)方法大體上可以分為3類(lèi)：光學(xué)檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè)及質(zhì)譜學(xué)檢測(cè)。

紫外吸收檢測(cè)法是-種常規(guī)光學(xué)檢測(cè)法，相應(yīng)的檢測(cè)器已經(jīng)趨于成熟，但由于芯片的通道小、靈敏度不高，因此該方法已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足對(duì)低濃度和極微量樣品分析的要求。激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)是所有熒光檢測(cè)中靈敏度最高的一種方法。多數(shù)情況下其檢測(cè)下限可達(dá)10*10-10~12molL，所以該方法得到了廣泛的應(yīng)用。

電化學(xué)檢測(cè)有安培法、電導(dǎo)法和電位法3種基本模式，其中安培法是應(yīng)用最普遍的一種方法。其基本原理是：測(cè)量化合物在電極表面受到氧化或還原反應(yīng)時(shí)，會(huì)失去或得到電子，產(chǎn)生與分析物濃度成正比的電極電流，通過(guò)測(cè)量微通道中的電流即可得到溶液濃度的變化情況。電化學(xué)檢測(cè)的靈敏度可以與熒光檢測(cè)相媲美，同時(shí)，因?yàn)槲㈦姌O可以加工到芯片。上，因此更適合于微芯片的檢測(cè)。質(zhì)譜檢測(cè)14的原理是根據(jù)分子質(zhì)荷比的不同而達(dá)到檢測(cè)的目的。其最大優(yōu)點(diǎn)是能夠提供分子空間結(jié)構(gòu)信息，因此在生物大分子（如蛋白質(zhì)）的結(jié)構(gòu)研究方面具有獨(dú)到之處。但因?yàn)橘|(zhì)譜檢測(cè)系統(tǒng)本身比芯片還要大，所以也很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的微型化。單一的檢測(cè)方法將很難完成全部檢測(cè)任務(wù)，因此應(yīng)對(duì)多種檢測(cè)方法的聯(lián)合使用及新的檢測(cè)方法進(jìn)行研究。

微流控芯片的五大應(yīng)用領(lǐng)域

一、微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染中的應(yīng)用

微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染分析中的研究尚處于起步階段，因此多集中于優(yōu)先污染物的相關(guān)報(bào)道，主要包括重金屬、營(yíng)養(yǎng)元素、有機(jī)污染物和微生物等。

1.用于水體中重金屬檢測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的重金屬如汞、鉻、鉛、銅、鎳、釩等被排放入水體，不僅會(huì)對(duì)水生動(dòng)植物產(chǎn)生毒害作用，還能通過(guò)富集作用進(jìn)入生物鏈，對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對(duì)上述重金屬的檢測(cè)，雖然可以使用高精度的原子吸收光譜和原子熒光光譜等方法。但是在應(yīng)對(duì)突發(fā)性污染物泄露事件，或者對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行連

續(xù)監(jiān)測(cè)的情況下，仍需要快速、高效的檢測(cè)工具。使用光刻法搭配濕法刻蝕技術(shù)，成功研制了一種微流控芯片，該芯片利用魯米諾發(fā)光性質(zhì)，成功地對(duì)硝酸鈷進(jìn)行了測(cè)定。與此同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的改造之后，該微全分析系統(tǒng)還能成為檢測(cè)過(guò)氧化氫或者二氧化氮的裝置，并可以與信號(hào)傳遞裝置結(jié)合起來(lái)，成為一種自帶無(wú)線信號(hào)發(fā)射功能的設(shè)備。

基于紙的微流控器件近幾年的發(fā)展也很迅速，相對(duì)于具有類(lèi)似功能的微流控設(shè)備，它具有操作簡(jiǎn)單，不需要外援設(shè)備，可多元檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了一種可以用來(lái)檢測(cè)多種重金屬的紙芯片，顯示了良好的靈敏度。

2、用于水體中營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定芯片系統(tǒng)

用于營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定的微流控芯片系統(tǒng)多數(shù)是基于分光光度的檢測(cè)原理，運(yùn)用現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)將各種光電元件加以集成，例如，一種用于水體中磷酸鹽檢測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)的發(fā)射裝置，可以在目標(biāo)區(qū)域的不同位置分別布置對(duì)該區(qū)域的磷酸鹽污染狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)限量最低為0.3mg/L。

賈宏新等提出了一種三層雜交結(jié)構(gòu)微流控芯片，在玻璃片上加工微反應(yīng)通道，用PDMS加工氣體滲透膜和具有接受通道的PDMS底片，實(shí)現(xiàn)了溶液中銨根正離子反應(yīng)、生成的氨氣擴(kuò)散分離、吸納、溴百里酚藍(lán)顯色和光度檢測(cè)在微流控芯片上的集成化。

3、用于水體中有機(jī)污染物分析芯片

水體中除含有無(wú)機(jī)污染物外，更大量的是有機(jī)污染物，它門(mén)以有毒性和使水中溶解氧減少的方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康，因此有機(jī)污染物的數(shù)量是評(píng)價(jià)水體污染狀況的極為重要的指標(biāo)。這一類(lèi)污染物由于其含量較低，通常需要進(jìn)行前期的預(yù)處理，微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以將前期的預(yù)處理以及后期的檢測(cè)進(jìn)行集成，并且具有較高的萃取/富集效率等。

4、用于水體中微生物檢測(cè)芯片系統(tǒng)

水體中的微生物按其粒徑，屬于顆粒有機(jī)碳范圍，其種類(lèi)群可以反映水體生態(tài)特征和一些重要的污染狀況，是水體生態(tài)調(diào)查中的常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。在其測(cè)定過(guò)程中，流式細(xì)胞術(shù)是最為準(zhǔn)確、快速的方法。但其設(shè)備昂貴、體積龐大、需要專(zhuān)人操作，不適合現(xiàn)場(chǎng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)要求，基于鞘流式流體控制的微流控芯片的出現(xiàn)在一定程度上克服了這些局限，并可能實(shí)現(xiàn)儀器的集成化、小型化、自動(dòng)化和便攜化。

二、微流控芯片在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用

隨著微流控芯片的不斷發(fā)展，，微流控分析芯片技術(shù)正不斷地向細(xì)胞組學(xué)的研究領(lǐng)域進(jìn)行滲透。微流控芯片在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用主要包括細(xì)胞的培養(yǎng)、細(xì)胞的分離與操縱，細(xì)胞組分分析以及細(xì)胞全分析系統(tǒng)。

如，Carlson等報(bào)道了用靜水壓力驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)血液樣本中的細(xì)胞進(jìn)行分離。由于紅細(xì)胞的體積遠(yuǎn)小于白細(xì)胞，且粘性小，所以紅細(xì)胞以較快的速度通過(guò)微流路網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞全分析系統(tǒng)，指將細(xì)胞的三維培養(yǎng)、細(xì)胞刺激、細(xì)胞分離、溶胞以及細(xì)胞組分分離和分析集為一體的微流控系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)不僅可快速分析細(xì)胞，而且可重復(fù)利

微流控芯片分析系統(tǒng)通過(guò)在微米通道與結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)微型化，在分析性能上帶來(lái)了巨大的優(yōu)點(diǎn)：

1）縮短反應(yīng)時(shí)間，提高分析效率，許多分析過(guò)程可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成;

2）節(jié)約試劑和樣本，微流控分析的試樣與試劑消耗已降低至數(shù)微升水平，并且隨著技術(shù)水平的提高，還有可能進(jìn)一步減少;

3）易于集成化、便攜化，操作簡(jiǎn)便，更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

三、微流控芯片在蛋白質(zhì)分析中的應(yīng)用

1、酶學(xué)分析

在硅片、玻璃芯片、石英芯片或者高分子聚合物芯片上構(gòu)筑簡(jiǎn)單的十字通道或者反映艙，加上電化學(xué)檢測(cè)器、光學(xué)檢測(cè)器或者其他的檢測(cè)系統(tǒng)就可以完成簡(jiǎn)單的酶的測(cè)定。如，Hadd-AG在芯片上制作了具有5個(gè)溶液出入通道的酶檢測(cè)系統(tǒng)，首先將熒光基團(tuán)底物RBG與Tris緩沖液混合，在與B半乳糖苷酶溶液和競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑PETG溶液混合，反應(yīng)后底物酶解產(chǎn)物產(chǎn)生熒光物質(zhì)通過(guò)激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器檢測(cè)。該系統(tǒng)所用的酶和底物僅為120pg和7.5ng，比常規(guī)分析方法減少4個(gè)數(shù)量級(jí)，顯示了微流控分析芯片酶法分析在藥物研制臨床診斷等領(lǐng)域的良好運(yùn)用前景。

2、免疫分析

免疫分析是最重要的分析方法之一，常規(guī)的免疫分析需要比較長(zhǎng)的分析時(shí)間，液體處理過(guò)程也比較麻煩，而且需要比較多的昂貴的抗體試劑。微流控分析芯片可以有效的克服這一缺點(diǎn)，在芯片上整合分析系統(tǒng)可以加強(qiáng)反應(yīng)效率，簡(jiǎn)化分析過(guò)程、減少分析時(shí)間、降低試劑的消耗。如Sato等用抗CEA抗體預(yù)先包被聚苯乙烯珠并導(dǎo)入到通道中，在通道中構(gòu)筑了一道圍堰來(lái)?yè)踝∵@些微珠，然后與含有CEA的血清樣本、一抗、膠體金標(biāo)記的二抗進(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)3種抗體進(jìn)行的夾心法免疫分析可以超痕量的檢測(cè)血清分鐘的CEA，整個(gè)分析時(shí)間減少到35min左右。

3、蛋白質(zhì)組學(xué)研究

蛋白質(zhì)柱分析被認(rèn)為是繼基因組分析后最具有潛力的領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展，蛋白質(zhì)組研究已經(jīng)從基于凝膠電泳分離向著與質(zhì)譜聯(lián)用的方向發(fā)展。由于蛋白質(zhì)組研究需要大規(guī)模、高通量的蛋白分析和鑒定方法，因此耗樣量低、高通量的微流控芯片分析技術(shù)與高靈敏的質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用具有很大優(yōu)勢(shì)。如，Gao在芯片上集成了蛋白質(zhì)分解、多肽分離和質(zhì)譜鑒別集成裝置，該裝置使原來(lái)數(shù)J時(shí)完成的工作在5min內(nèi)完成，試劑用量在納克或者納克以下。

四、微流控芯片基因分析中的應(yīng)用

1、高聚物基PCR微流控芯片

PCR作為一種體外擴(kuò)增核酸的方法，早已是研究分子生物學(xué)的不可缺少的工具。雖然傳統(tǒng)的PCR操簡(jiǎn)單，但是它加熱循環(huán)緩慢且效率低，這主要是因?yàn)槠浼訜狍w積太大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PCR的反應(yīng)體積被減少到5oul甚至于1pl，但是體積的減少相應(yīng)的也限制了產(chǎn)量。PCR微流控芯片就是在這種情況下發(fā)展起來(lái)的。

與傳統(tǒng)的PCR相比，PCR芯片的主要優(yōu)勢(shì)在其比表面積大，傳熱速率快，大大提高了反應(yīng)速度;而且內(nèi)部溫度均勻，反應(yīng)過(guò)程易于控制。同時(shí)PCR芯片反應(yīng)所需的樣品和試劑量少，大大降低成本。如KOPP利用PCR微流控芯片在1.5-18.7min的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)20次循環(huán)完成了淋球菌促旋酶基因176bp片段的PCR擴(kuò)增。

2、核酸限制性酶切片段的分離分析

微流控芯片可用于迅速分離DNA限制片段PCR產(chǎn)物，比常規(guī)的毛細(xì)管電泳分離要快得多。自從Manz等成功的應(yīng)用微流控芯片毛細(xì)管電泳技術(shù)分離了寡核苷酸混合物。微流控芯片分離的DNA片段的長(zhǎng)度在逐步擴(kuò)大，同時(shí)出現(xiàn)了可進(jìn)行平行分析的多通道陣列芯片。

3、DNA測(cè)序

用微流控芯片四色標(biāo)記法測(cè)序，可在540S分離150個(gè)堿基，準(zhǔn)確率在97%以上。常規(guī)DNA測(cè)序需要制備微升級(jí)的樣品，試劑消耗量大，有報(bào)道將納升級(jí)的樣品制備系統(tǒng)微縮到芯片上進(jìn)行測(cè)序，可在分離前除去多余的引物、鹽分、核苷酸等，所用測(cè)序體積是Sanger雙脫氧終止法的1/300，測(cè)序成本明顯降低，而且可進(jìn)行固相測(cè)序。

五、微流控芯片在仿生研究中的應(yīng)用

沿著仿生模擬的研究方向和思路，使得微流控芯片技術(shù)對(duì)于細(xì)胞與微環(huán)境時(shí)空控制方面的能力在動(dòng)物細(xì)胞生物相關(guān)性研究中得到了充分的展示。HO等［30］設(shè)計(jì)制備了一種細(xì)胞捕獲芯片，可以通過(guò)芯片底層同心電極陣列的電場(chǎng)誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)肝細(xì)胞在微腔內(nèi)的輻射式串珠狀排列，然后將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞灌注人間隙，用以模擬肝臟組織。該研究證實(shí)了體外重建肝小葉的可能性。Liu等叫采用集成微流控芯片技術(shù)構(gòu)建了一種用于細(xì)胞與微環(huán)境相互作用動(dòng)態(tài)研究的芯片系統(tǒng)。該芯片采用多層軟光刻技術(shù)制備，通過(guò)氣動(dòng)微閥控制液流、細(xì)胞以及細(xì)胞微環(huán)境，可開(kāi)展多種微環(huán)境模式的細(xì)胞刺激應(yīng)答研究。該研究實(shí)現(xiàn)了在芯片內(nèi)表面處理、細(xì)胞定位裝載以及異型細(xì)胞共培養(yǎng)等連續(xù)化實(shí)驗(yàn)操作。并開(kāi)展了針對(duì)腫瘤細(xì)胞（HepG2肝癌細(xì)胞）與基質(zhì)細(xì)胞（3T3成纖維細(xì)胞）相互作用的動(dòng)態(tài)系列化操作與分析研究。

李偉萱等人2針對(duì)體外環(huán)境對(duì)受精和胚胎發(fā)育的影響，現(xiàn)有人工輔助生殖技術(shù)存在受精成功率低和胎兒出生后風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，發(fā)展了一種微流控芯片子言，芯片包含3層結(jié)構(gòu)，頂層和底層為PDMS而中間層為多孔PC膜，芯片頂層含有寬500pm，高110um蜿蜒形通道，通道中交錯(cuò)分布一系列用于捕獲卵細(xì)胞的弧形篩網(wǎng)，篩網(wǎng)直徑150pm，由6根直徑35pm的微柱圍成。芯片底層含有4個(gè)平行的矩形通道（6mmX3mmX110pm），兩端與共同的入口和出口連接。通道底面具有4X3微柱陣列用于支撐PC膜。通過(guò)使用子宮內(nèi)膜細(xì)胞-胚胎共培養(yǎng)以及連續(xù)灌流方式細(xì)致模擬子宮環(huán)境以促進(jìn)胚胎生成。利用上述芯片子宮，完成了排卵、受精、著床以及胚胎發(fā)生等一系列實(shí)驗(yàn)過(guò)程。芯片子宮不僅操作簡(jiǎn)便，還可以獲得較之傳統(tǒng)方法更高的胚胎形成率。