四大微流控芯片相關技術

1、微流體控制及驅動技術

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，連續介質定理成立，連續性方程可用，電滲和電泳淌度與尺寸無關。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，雷諾數變?。ㄍǔＴ?06-101之間），層流特點明顯，傳質過程從以對流為主轉為以擴散為主，并且面體比增加，黏性力、表面張力及換熱等表面作用增強，邊緣效應增大，三維效應不可忽略。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，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，最終導致對流體的控制相對困難回。

2、分離技術

分離是微流控芯片樣品分析的重要一步。芯片中分離毛細管槽負載了大部分外加電壓，其場強多在200一500V/cm之間，因此在設計時應盡量設法降低負載電壓［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HPLC中梯度洗脫的方法，設計了兩個緩沖液池，內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，實驗表明效果較好，分離時間小于1min［5］。

3、微液滴技術

微液滴操控包括微液滴生成和微液滴驅動，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，即通過對微通道結構的特別設計使液流局部產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。與傳統連續流系統相比川，離散化微液滴系統有一系列潛在優勢，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

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：光學檢測、電化學檢測及質譜學檢測。

紫外吸收檢測法是-種常規光學檢測法，相應的檢測器已經趨于成熟，但由于芯片的通道小、靈敏度不高，因此該方法已經不能夠滿足對低濃度和極微量樣品分析的要求。激光誘導熒光檢測是所有熒光檢測中靈敏度最高的一種方法。多數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用。

電化學檢測有安培法、電導法和電位法3種基本模式，其中安培法是應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時，會失去或得到電子，產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。質譜檢測14的原理是根據分子質荷比的不同而達到檢測的目的。其最大優點是能夠提供分子空間結構信息，因此在生物大分子（如蛋白質）的結構研究方面具有獨到之處。但因為質譜檢測系統本身比芯片還要大，所以也很難實現整個系統的微型化。單一的檢測方法將很難完成全部檢測任務，因此應對多種檢測方法的聯合使用及新的檢測方法進行研究。

微流控芯片的五大應用領域

一、微流控芯片技術在水環境污染中的應用

微流控芯片技術在水環境污染分析中的研究尚處于起步階段，因此多集中于優先污染物的相關報道，主要包括重金屬、營養元素、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

隨著工農業的發展，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生毒害作用，還能通過富集作用進入生物鏈，對整個生態環境構成嚴重威脅。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。但是在應對突發性污染物泄露事件，或者對一個區域進行連

續監測的情況下，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，成功研制了一種微流控芯片，該芯片利用魯米諾發光性質，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合起來，成為一種自帶無線信號發射功能的設備。

基于紙的微流控器件近幾年的發展也很迅速，相對于具有類似功能的微流控設備，它具有操作簡單，不需要外援設備，可多元檢測等優點，開發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、用于水體中營養鹽測定芯片系統

用于營養鹽測定的微流控芯片系統多數是基于分光光度的檢測原理，運用現代微細加工技術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，該系統配有數據的發射裝置，可以在目標區域的不同位置分別布置對該區域的磷酸鹽污染狀況進行全方位的實時監測，檢測限量最低為0.3mg/L。

賈宏新等提出了一種三層雜交結構微流控芯片，在玻璃片上加工微反應通道，用PDMS加工氣體滲透膜和具有接受通道的PDMS底片，實現了溶液中銨根正離子反應、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系統產生影響，危害人體健康，因此有機污染物的數量是評價水體污染狀況的極為重要的指標。這一類污染物由于其含量較低，通常需要進行前期的預處理，微流控芯片的優點體現在可以將前期的預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

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特征和一些重要的污染狀況，是水體生態調查中的常規監測指標。在其測定過程中，流式細胞術是最為準確、快速的方法。但其設備昂貴、體積龐大、需要專人操作，不適合現場、連續監測要求，基于鞘流式流體控制的微流控芯片的出現在一定程度上克服了這些局限，并可能實現儀器的集成化、小型化、自動化和便攜化。

二、微流控芯片在細胞生物學中的應用

隨著微流控芯片的不斷發展，，微流控分析芯片技術正不斷地向細胞組學的研究領域進行滲透。微流控芯片在細胞生物學中的應用主要包括細胞的培養、細胞的分離與操縱，細胞組分分析以及細胞全分析系統。

如，Carlson等報道了用靜水壓力驅動的方法對血液樣本中的細胞進行分離。由于紅細胞的體積遠小于白細胞，且粘性小，所以紅細胞以較快的速度通過微流路網絡。細胞全分析系統，指將細胞的三維培養、細胞刺激、細胞分離、溶胞以及細胞組分分離和分析集為一體的微流控系統。這個系統不僅可快速分析細胞，而且可重復利

微流控芯片分析系統通過在微米通道與結構中實現微型化，在分析性能上帶來了巨大的優點：

1）縮短反應時間，提高分析效率，許多分析過程可以在數分鐘內完成;

2）節約試劑和樣本，微流控分析的試樣與試劑消耗已降低至數微升水平，并且隨著技術水平的提高，還有可能進一步減少;

3）易于集成化、便攜化，操作簡便，更易實現自動化。

三、微流控芯片在蛋白質分析中的應用

1、酶學分析

在硅片、玻璃芯片、石英芯片或者高分子聚合物芯片上構筑簡單的十字通道或者反映艙，加上電化學檢測器、光學檢測器或者其他的檢測系統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，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，反應后底物酶解產物產生熒光物質通過激光誘導熒光檢測器檢測。該系統所用的酶和底物僅為120pg和7.5ng，比常規分析方法減少4個數量級，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可以加強反應效率，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抗體預先包被聚苯乙烯珠并導入到通道中，在通道中構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、膠體金標記的二抗進行反應，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、蛋白質組學研究

蛋白質柱分析被認為是繼基因組分析后最具有潛力的領域。隨著技術的發展，蛋白質組研究已經從基于凝膠電泳分離向著與質譜聯用的方向發展。由于蛋白質組研究需要大規模、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與高靈敏的質譜檢測技術聯用具有很大優勢。如，Gao在芯片上集成了蛋白質分解、多肽分離和質譜鑒別集成裝置，該裝置使原來數J時完成的工作在5min內完成，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的不可缺少的工具。雖然傳統的PCR操簡單，但是它加熱循環緩慢且效率低，這主要是因為其加熱體積太大。為了解決這個問題，PCR的反應體積被減少到5oul甚至于1pl，但是體積的減少相應的也限制了產量。PCR微流控芯片就是在這種情況下發展起來的。

與傳統的PCR相比，PCR芯片的主要優勢在其比表面積大，傳熱速率快，大大提高了反應速度;而且內部溫度均勻，反應過程易于控制。同時PCR芯片反應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，經過20次循環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產物，比常規的毛細管電泳分離要快得多。自從Manz等成功的應用微流控芯片毛細管電泳技術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記法測序，可在540S分離150個堿基，準確率在97%以上。常規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用

沿著仿生模擬的研究方向和思路，使得微流控芯片技術對于細胞與微環境時空控制方面的能力在動物細胞生物相關性研究中得到了充分的展示。HO等［30］設計制備了一種細胞捕獲芯片，可以通過芯片底層同心電極陣列的電場誘導實現肝細胞在微腔內的輻射式串珠狀排列，然后將人臍靜脈內皮細胞灌注人間隙，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構建了一種用于細胞與微環境相互作用動態研究的芯片系統。該芯片采用多層軟光刻技術制備，通過氣動微閥控制液流、細胞以及細胞微環境，可開展多種微環境模式的細胞刺激應答研究。該研究實現了在芯片內表面處理、細胞定位裝載以及異型細胞共培養等連續化實驗操作。并開展了針對腫瘤細胞（HepG2肝癌細胞）與基質細胞（3T3成纖維細胞）相互作用的動態系列化操作與分析研究。

李偉萱等人2針對體外環境對受精和胚胎發育的影響，現有人工輔助生殖技術存在受精成功率低和胎兒出生后風險高的問題，發展了一種微流控芯片子言，芯片包含3層結構，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胞的弧形篩網，篩網直徑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。通過使用子宮內膜細胞-胚胎共培養以及連續灌流方式細致模擬子宮環境以促進胚胎生成。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方法更高的胚胎形成率。