四大微流控芯片相關(guān)技術(shù)

1、微流體控制及驅(qū)動技術(shù)

微流控芯片中流體的操控尺度在微米量級，介于宏觀尺度和納米尺度之間，這種尺度下流體運動顯示出二重性。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關(guān)。另一方面，相對于宏觀尺度，微米尺度上的慣性力影響誠小，黏性力影響增大，雷諾數(shù)變?。ㄍǔＴ?06-101之間），層流特點明顯，傳質(zhì)過程從以對流為主轉(zhuǎn)為以擴散為主，并且面體比增加，黏性力、表面張力及換熱等表面作用增強，邊緣效應(yīng)增大，三維效應(yīng)不可忽略。與此同時，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，進而影響到給予流體的動量。此外，空間的壓縮會改變大分子的形狀，大分子的淌度也將受到非平面流速矢量場的影響，最終導(dǎo)致對流體的控制相對困難回。

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，其場強多在200一500V/cm之間，因此在設(shè)計時應(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)計了兩個緩沖液池，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)，實驗表明效果較好，分離時間小于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，按生成方式可以將操控微液滴的方法分為兩大類。一類是被動法，即通過對微通道結(jié)構(gòu)的特別設(shè)計使液流局部產(chǎn)生速度梯度來對微液滴進行操控，主要為多相流法問。該法的主要特點是可以快速批量生成微液滴;另一類是主動法，即通過電場力、熱能量等外力使液流局部產(chǎn)生能量梯度來對微液滴進行操控，主要包括電潤濕法口、介電電泳法［同、氣動法［？）和熱毛細(xì)管法0］。該法的主要特點是可以對單個微液滴的操控。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，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、檢測技術(shù)

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

紫外吸收檢測法是-種常規(guī)光學(xué)檢測法，相應(yīng)的檢測器已經(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)不能夠滿足對低濃度和極微量樣品分析的要求。激光誘導(dǎo)熒光檢測是所有熒光檢測中靈敏度最高的一種方法。多數(shù)情況下其檢測下限可達10*10-10~12molL，所以該方法得到了廣泛的應(yīng)用。

電化學(xué)檢測有安培法、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：測量化合物在電極表面受到氧化或還原反應(yīng)時，會失去或得到電子，產(chǎn)生與分析物濃度成正比的電極電流，通過測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)檢測的靈敏度可以與熒光檢測相媲美，同時，因為微電極可以加工到芯片。上，因此更適合于微芯片的檢測。質(zhì)譜檢測14的原理是根據(jù)分子質(zhì)荷比的不同而達到檢測的目的。其最大優(yōu)點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)研究方面具有獨到之處。但因為質(zhì)譜檢測系統(tǒng)本身比芯片還要大，所以也很難實現(xiàn)整個系統(tǒng)的微型化。單一的檢測方法將很難完成全部檢測任務(wù)，因此應(yīng)對多種檢測方法的聯(lián)合使用及新的檢測方法進行研究。

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)報道，主要包括重金屬、營養(yǎng)元素、有機污染物和微生物等。

1.用于水體中重金屬檢測的微流控芯片系統(tǒng)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，越來越多的重金屬如汞、鉻、鉛、銅、鎳、釩等被排放入水體，不僅會對水生動植物產(chǎn)生毒害作用，還能通過富集作用進入生物鏈，對整個生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對上述重金屬的檢測，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)對突發(fā)性污染物泄露事件，或者對一個區(qū)域進行連

續(xù)監(jiān)測的情況下，仍需要快速、高效的檢測工具。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)，成功地對硝酸鈷進行了測定。與此同時，通過簡單的改造之后，該微全分析系統(tǒng)還能成為檢測過氧化氫或者二氧化氮的裝置，并可以與信號傳遞裝置結(jié)合起來，成為一種自帶無線信號發(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，相對于具有類似功能的微流控設(shè)備，它具有操作簡單，不需要外援設(shè)備，可多元檢測等優(yōu)點，開發(fā)出了一種可以用來檢測多種重金屬的紙芯片，顯示了良好的靈敏度。

2、用于水體中營養(yǎng)鹽測定芯片系統(tǒng)

用于營養(yǎng)鹽測定的微流控芯片系統(tǒng)多數(shù)是基于分光光度的檢測原理，運用現(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該區(qū)域的磷酸鹽污染狀況進行全方位的實時監(jiān)測，檢測限量最低為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，實現(xiàn)了溶液中銨根正離子反應(yīng)、生成的氨氣擴散分離、吸納、溴百里酚藍顯色和光度檢測在微流控芯片上的集成化。

3、用于水體中有機污染物分析芯片

水體中除含有無機污染物外，更大量的是有機污染物，它門以有毒性和使水中溶解氧減少的方式對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康，因此有機污染物的數(shù)量是評價水體污染狀況的極為重要的指標(biāo)。這一類污染物由于其含量較低，通常需要進行前期的預(yù)處理，微流控芯片的優(yōu)點體現(xiàn)在可以將前期的預(yù)處理以及后期的檢測進行集成，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芯片系統(tǒng)

水體中的微生物按其粒徑，屬于顆粒有機碳范圍，其種類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)測指標(biāo)。在其測定過程中，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、需要專人操作，不適合現(xiàn)場、連續(xù)監(jiān)測要求，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，并可能實現(xiàn)儀器的集成化、小型化、自動化和便攜化。

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等報道了用靜水壓力驅(qū)動的方法對血液樣本中的細(xì)胞進行分離。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)通過在微米通道與結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)微型化，在分析性能上帶來了巨大的優(yōu)點：

1）縮短反應(yīng)時間，提高分析效率，許多分析過程可以在數(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，還有可能進一步減少;

3）易于集成化、便攜化，操作簡便，更易實現(xiàn)自動化。

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)筑簡單的十字通道或者反映艙，加上電化學(xué)檢測器、光學(xué)檢測器或者其他的檢測系統(tǒng)就可以完成簡單的酶的測定。如，Hadd-AG在芯片上制作了具有5個溶液出入通道的酶檢測系統(tǒng)，首先將熒光基團底物RBG與Tris緩沖液混合，在與B半乳糖苷酶溶液和競爭性抑制劑PETG溶液混合，反應(yīng)后底物酶解產(chǎn)物產(chǎn)生熒光物質(zhì)通過激光誘導(dǎo)熒光檢測器檢測。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個數(shù)量級，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的分析時間，液體處理過程也比較麻煩，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，在芯片上整合分析系統(tǒng)可以加強反應(yīng)效率，簡化分析過程、減少分析時間、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)筑了一道圍堰來擋住這些微珠，然后與含有CEA的血清樣本、一抗、膠體金標(biāo)記的二抗進行反應(yīng)，通過3種抗體進行的夾心法免疫分析可以超痕量的檢測血清分鐘的CEA，整個分析時間減少到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)譜檢測技術(shù)聯(lián)用具有很大優(yōu)勢。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，該裝置使原來數(shù)J時完成的工作在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操簡單，但是它加熱循環(huán)緩慢且效率低，這主要是因為其加熱體積太大。為了解決這個問題，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)展起來的。

與傳統(tǒng)的PCR相比，PCR芯片的主要優(yōu)勢在其比表面積大，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)過程易于控制。同時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的時間內(nèi)，經(jīng)過20次循環(huán)完成了淋球菌促旋酶基因176bp片段的PCR擴增。

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片段的長度在逐步擴大，同時出現(xiàn)了可進行平行分析的多通道陣列芯片。

3、DNA測序

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

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)對于細(xì)胞與微環(huán)境時空控制方面的能力在動物細(xì)胞生物相關(guān)性研究中得到了充分的展示。HO等［30］設(shè)計制備了一種細(xì)胞捕獲芯片，可以通過芯片底層同心電極陣列的電場誘導(dǎo)實現(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，通過氣動微閥控制液流、細(xì)胞以及細(xì)胞微環(huán)境，可開展多種微環(huán)境模式的細(xì)胞刺激應(yīng)答研究。該研究實現(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)化實驗操作。并開展了針對腫瘤細(xì)胞（HepG2肝癌細(xì)胞）與基質(zhì)細(xì)胞（3T3成纖維細(xì)胞）相互作用的動態(tài)系列化操作與分析研究。

李偉萱等人2針對體外環(huán)境對受精和胚胎發(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)險高的問題，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)生等一系列實驗過程。芯片子宮不僅操作簡便，還可以獲得較之傳統(tǒng)方法更高的胚胎形成率。