微流控芯片技术(Microfluidi����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������cs)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������反应、分离、检测等基本操作单元集����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������成到一块微米尺度的芯片上, 自动完成分析����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������、电子、材料、机械等学科����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������交叉的崭新研究领域。
本文首先介绍了微流控技术原理及微流控芯片的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������工作原理,其次详细的阐述了微����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������流控芯片技术,末尾介绍了微流控技术在����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������生物医学上的应用,具体的跟随小编一起来了解一下。����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������
微流控技术原理
微流控(microfluidics ����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������)是一种精确控制和操控微尺����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������度流体,以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������主要特征的科学技术,具有将生物、化学等����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力,其基本特征和����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������合、规模集成。是一个涉及����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������域的交叉学科。
微流控是系统的科学技术,它使用几十到几����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������百微米尺度的管道,处理或操控����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������很少量的(10*至10~18升,1立方毫米至����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������1立方微米) 流体。开始的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������微流控技术被用于分析。微流控为分析提供����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������了许多有用的功能: 使用非常少的样本����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������和试剂做出高精度和高敏感度的分离和检测,费用����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������低,分析时间短,分析设备的印记小。微流控既利用����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������了它明显的特征一一尺寸小,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������也利用了不太明显的微通道流体的特点,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������比如层流。它本质上提供了在空间和时间上集中����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������控制分子的能力。
微流控芯片的工作原理
微流控芯片采用类似半导体����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的微机电加工技术在芯片上构建微流����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������路系统,将实验与分析过程转载到由彼此����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������联系的路径和液相小室组成的芯片结����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������构上,加载生物样品和反应液后,采����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������用微机械泵。电水力泵和电渗流等方法����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������驱动芯片中缓冲液的流动,形成微流路,于芯片上进����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������电化学和化学等多种检测系统����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������用在微流控芯片中,对样品进����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������行快速、准确和高通量分析。微流控芯片的特点是在一����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������个芯片上可以形成多功能集成体系和����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������数目众多的复合体系的微全分����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������析系统?微型反应器是芯片实验室中����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������常用的用于生物化学反应的结构,如毛细����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������管电泳、聚合酶链反应、酶反����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������应和DNA 杂交反应的微型����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������反应器等。其中电压驱动的毛����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������细管电泳(Capillary El����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������ectrophoresis,CE) 比较容易在微����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������流控芯片上实现,因而成为其中发展����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������很快的技术。它是在芯片上蚀刻毛细管通道,����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������在电渗流的作用下样品液在通道中泳动,完成对样品的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������检测分析,如果在芯片上构����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������建毛细管阵列,可在数分钟内完成对数百种����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������样品的平行分析。
微流控芯片技术详解
1、微流控芯片的基质材料
基质材料是微流控芯片的载体,在微流控芯片发展����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的初期,硅材料作为构建微流控����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������芯片的材料而被广泛使用,这主要归因����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������于业已成熟的半导体技术。但是随着研究的不断深入����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������和应用领域的不断拓展,它表现出了不同程����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������度的局限性:硅材料属于半导体����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,不能承受高电压,此外,硅材料����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������不透明,与光学检测技术不兼容。
玻璃材料具有很好的电渗性质和优良的光学����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������性质,无论是从其物理性质还是化学性质来讲,都非常����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������适合于微流控芯片的制作,但是它的光刻和蚀����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������刻技术工艺复杂、费时,制作成本过高,这些因素制����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������约了玻璃微流控芯片的应用和推广。
因此,研究者们开始把更多的注意力转向了原材料����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������便宜、加工制作简单的高分子聚合物,目前,以聚二����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������甲基硅氧烷(PolydiMethyl-Silo����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������xane,PDMS)为代表的有机����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������高分子聚合物已成为微流控芯片研究的热����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������点,PDMS表现出了非常理想的材料特性:良好����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的绝缘性,能承受高电压,已广泛应用于����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������各种毛细管电泳微芯片的制����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������作;热稳定性高,适合加工各种生化反应芯����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������片;具有很高的生物兼容性和气体通透性,可以用于����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������细胞培养;同时具有优良的光学特性,可应用于多种����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������光学检测系统;弹性模量低,适合����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������于制作微流体控制器件,如����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������泵膜等。此外,PDMS还可以和硅、氮化����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������硅、氧化硅、玻璃等许多材料形成很好的密封。此����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������外,较常用的高分子聚合物还包括聚甲基丙烯����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������酸甲酯(PolyMethylMeth����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������Acrylate,PMMA)、����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������聚碳酸酯(PolyCarbo����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������nate,PC)等。
2、微流控芯片的加工技术
微细加工技术是微流控����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������芯片发展的前提条件,微流控����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������芯片的制作技术首先起源于制造半导体及集成电路����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������芯片所广泛采用的光刻(Lithograph����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������y)和蚀刻技术(Etching),����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������目前已经广泛地用于硅片、玻璃����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������和石英等基质材料上微流体网络的制作。����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������其微制造工艺为:首先通过光学制����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������板照相技术制备包括微流控芯片图案的掩模,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������制备好的掩模通常是镀有铬层的石英玻璃����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������板;然后用甩胶机均匀地在芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������表面涂敷一层光刻胶,在紫外光����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������下进行曝光,显影。上述工作完成之����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������后,用相应的腐蚀剂对芯片进行蚀����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������刻,蚀刻完成后,去除剩余的光����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������刻胶便可获得所需的芯片微细结构。����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������该方法工艺周期长、制作成本高,但其����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������微加工技术非常成熟。
与硅片、玻璃材料不同的是,����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������可用于微流控芯片加工制作的高分子聚合物种类繁多,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������而且各材料之间的物理化学性质差别很大,所以它们的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������微加工技术表现出了一定的多样性,目前主����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������要有模塑法、热压法、LIGA技����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������术、激光烧蚀技术和软光刻法等。����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������
a、模塑法(InjecT����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������Ion Molding)
是指通过光刻掩模技术制得凸起的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������微流控芯片阳模,然后在阳模上浇注液态的高分子聚合����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������物,当高分子聚合物完全固化后将其����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������与阳模剥离即可得到具有微流体网络的基片,适宜采����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������用模塑法的高分子材料应该具有很低的黏度����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������和很低的固化温度,如PDM����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������S,环氧树脂,聚四氟乙烯等材����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������料。
b、热压法
也是一种需要阳模的微����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������流控芯片制造技术,该技术主要利用了高����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������分子聚合物的玻璃转化温度。与模塑法相比����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,热压法制得的微通道重复����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������性较差,而且管道易产生变形����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,操作条件相对苛刻。该方法主要应����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������用于热塑性材料的加工,如PMMA和PC等����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������。
c、激光烧蚀(Laser����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������� AblaTIon)
是一种新型的微细加工技术����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������,它是通过紫外激光降解高分子聚合物,适宜激光烧蚀����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������加工的材料有PMMA、聚苯乙烯、硝化纤维����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������等。
3、微流控芯片的微流体控制技术����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������
微流体操纵技术是微流控芯片技术中重要的一个研����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������究领域之一,通过各种机械或非机����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������械力实现对流体的驱动和控����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������制。依据微流体驱动体系中有����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������无机械活动部件,可以将其分为机����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������械和非机械驱动系统。
a、机械驱动系统
主要包括压电微泵、静电微泵等,它主要����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������是通过静电、压电等不同方法来触发引起����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������的机械部件的运动,从而为微流体提供动力源,这种����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������泵的优点是任何流体都可以����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������推动,但其所驱动的流体呈脉冲状而不����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������是连续式的。
b、非机械驱动系统
主要包括电渗泵、热毛细管泵等,其中电渗泵是����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������微流控芯片系统中常用的一种驱动力,相对于微机����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������械压力驱动的泵来说,电渗泵有很多优点����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������:如电渗泵易于制作而且没有任何移动部件,电渗泵的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������样品柱只有少量的扩散,此外,可以采用改变微����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������通道壁x(电势)的方法来进一����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������步控制电渗流的量和方向。
4、微流控芯片检测技术
微流控芯片的结构特征决定了其检测����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������技术的特殊性,与传统检测����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������仪器相比,微流控芯片对其检测系统����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������提出了更高的要求,如要求灵敏度高、响应����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������速度快、具有平行分析功能和便携式特征等,目前基于����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������不同原理的很多检测技术都已经应用到微����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������流控芯片的研究中,主要有光学检测、电化����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������学检测、质谱等方法。
a、光学检测
光学检测是微流控芯片检测方法中应����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������用较广的一种,其优点在于灵敏度高、实用性强,且检����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������测器与分析对象不需直接接触。其中激光诱导荧����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������光检测(Laser Induced Fluore����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������scence,LIF)是����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������目前灵敏的检测方法之一,其灵敏度达到10����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������-9mol/L~10-12mol/����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������L,对于某些荧光效率高的����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������分子,其检测能力可以达到单分子水平,因此它也是����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������当前商品化微流控系统中被采用的检测器����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������。但该检测设备价格昂贵,而且体积庞����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������大,与微尺寸的微流控芯片极不匹配����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������,一定程度上限制了其广泛推广与应用。
b、电化学检测
基于电化学检测原理的检����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������测系统可以说是完整的、集成����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������、理想的芯片检测系统之一,这主要有两方面����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的原因:一方面,微电极的制造技术与当前微流控����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������芯片的加工工艺是完全兼容的,可����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������以实现大批量生产;另一方面,电化学����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������检测具有灵敏度高、选择性好、不受光程和样品浑浊����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������度影响等优点,且只需要极少的外围辅助设备����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������即可实现快速检测,图1给出的是一种便携����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������式电化学检测系统。无疑,基于电化学原理的芯片检����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������测技术代表未来芯片检测器的一个����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������重要发展方向,显示了巨大����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������的应用价值和潜力。
c、质谱检测
质谱检测技术作为生物化����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������学分析的重要手段,由于能够����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������提供试样组分中生物大分子����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������的基本结构和定量信息,所以在微流控芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������检测器中表现出了巨大潜力,但当前质����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������谱检测的瓶颈在于质谱仪与微流控芯����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������片的接口问题。
微流控技术在生物医学上的应用
从微流控芯片的分析性能看,其未来的应����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������用领域将十分广泛,并且其应用领域����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������仍在不断地拓展之中,但目前的重����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������点显然是在生物医学领域。除����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������此之外,高通量药物合成与����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������筛选、环境监测、食品卫生、刑事科学及国防等����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������方面也会成为重要的应用领����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������域。现仅就微流控芯片在生物医学领域����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的应用举三个例子说明微流控芯片系统的巨大潜����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������力:
1、毛细管电泳分离
毛细管电泳芯片是微流控芯片中发展早、也是发����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������展快的一项芯片技术,目前已����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������经成为微流控芯片领域中令人瞩目的一个分支。����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������与传统的毛细管电泳相比,它具有自动化����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������程度高、样品消耗少、分析速度快以及高通量����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������等特征,在对DNA片段、多肽、蛋白质等生物大分子����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的分析中,它表现出了超强的分离分����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������析能力,它被认为是后基因时代中有希����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������望攻克蛋白质研究、基因临床诊断等科学����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������难题的分离分析手段之一。
1992年Manz A发表了一篇有关毛细����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������管电泳芯片的论文,该文以荧光染料为分����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������析对象,以电渗流作为流体驱动力,在芯片微流����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������体网络中成功地实现了流体控制����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������,向人们展示了毛细管电泳芯片的雏����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������形和其优越的分离分析能力,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������这一研究成果引起了学术界的广泛����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������关注和兴趣,相继各种用于氨����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������基酸、蛋白质、药物等分离的芯片也不断开发����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������成功。为了进一步提高芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的分析能力,Mathies����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������领导的研究小组在直径为200mm的圆盘����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������玻璃芯片上集成384个毛细管����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������电泳微通道,其有效分离长度达����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������到了8cm,对100bp(base pair,碱����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������基对)~1000bp的基因标准标记����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������物达到了优于10bp的分辨率,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������并在该芯片上完成了1163����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������D变异基因的PCR-RFLP(限制性片断长度多态����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������性)分析,为临床诊断提供了依据。
毛细管电泳微芯片是微流控分析芯片中产业����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������化程度高、也是先实现商品化的一类芯片,早在1����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������999年,美国惠普(现为����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������安捷伦)与Caliper T����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������ech-nologies公司联合研制����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������的首台微流控芯片商品“210����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������0生化分析仪”就已经开始投放市场,该系统使����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������用CAliper公司生产的玻璃芯片,采用����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������LIF进行检测,并配了5~6种试剂盒配合使用,可����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������对DNA、RNA片段及蛋白质等进����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������行电泳分离检测,玻璃芯片尺寸����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������为1.8cm&TImes;1.8c����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������m,有效分离长度约1.6cm,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������30min可同时完成12个样的分离检测。与传统����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������的基因和蛋白质电泳相比,芯片毛细管电泳无需����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������样品的走胶、染色、脱色工序,无需干燥和照相����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������等烦琐耗时的步骤,同时快速测试多个试样,获得基因����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������和蛋白质的电泳图和曲线。整个����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������测试过程简化为快速、简易的三个����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������步骤:装载样品、进行分析、观察数据。
2、基因测序
毛细管电泳的一个重要应用领域是����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������基因测序,正是因为96根毛细����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������管电泳阵列仪广泛地应用于人类基因组计划的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������测序工作之中,才使举世瞩目的����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������人类基因组计划的进程大大加快,使之由原定的20����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������03年提前到2000年基本完成。事实上,从����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������基因测序的原理来讲,芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������毛细管电泳测序和普通毛细管电泳测序����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������是完全一致的,但前者表现出了更大的优越性:首����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������先由于芯片毛细管电泳独特的注����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������样方式和更细的分离通道,所以它能实现DNA的����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������快速分离;另一方面微流控����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������芯片采用了半导体工业中成熟的微����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������加工技术进行制造,所以一块芯片上可以集成更多的毛����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������细管,实现高通量测序;由于它����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������实现了产物处理和分析的集成化,减少了人为干扰,����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������因此更进一步地降低了操作成本。
Mathies领导的研究小组����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������早在1995年就开始在微流����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������控芯片上开展了DNA测序����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������工作,他们在一块有效分离长度为3.����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������5cm的芯片上测序了150个碱基����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,他们利用芯片变性毛细管����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������电泳在10min之内就完成了对433个碱����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������基序列的测定。该测序芯片的毛细管长度为3.����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������5cm,横切面尺寸50μm&����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������;TImes;8μm。为了进一步提高DNA测序能����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������力,到2001年他们在直径为150mm的圆形玻����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������璃芯片上,刻蚀出了96个呈辐����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������射型排布的毛细管电泳通道阵列,由于芯片采用旋转扫����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������描LIF法进行检测,所以可实����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������现平行测序,测序达500碱基。
3、PCR反应
生化反应芯片的功能就是把在����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������普通实验室中进行的生化反����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������应实验缩微到一块小小的芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������上来完成。目前报道的生化反应芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������主要包括聚合酶链反应(Polyme����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������rize Chain Reaction����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,PCR)芯片、药物合成芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������等,其中PCR芯片是生化反应芯片的典型代表。众����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������所周知,常规PCR需要制样、扩增及检����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������测等步骤,既费时又费力,而当用微流控芯片进行PC����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������R扩增及相关检测时,则可大大简化操作步骤、显����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������著提高检测效率。1993年Northru����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������p等人以硅片和玻璃为基质材料初次报����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������道了一种PCR芯片,并通过实验证明了PCR����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������芯片可行性。该芯片的反应室刻蚀在硅片中,体积约为����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������几微升,加热器也直接集成在芯片上����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������,与传统的PCR相比,在相同扩增效率����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������下,该芯片的热循环效率快2~ 10倍。为了进一����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������步提高PCR芯片的热循环速度,Kopp ����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������M U等人发展了一种连续����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������流动式的PCR芯片,流动式芯����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������片下面有95℃、72℃、60℃三个不����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������同的恒温区间,当样品流经它们时就����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ�������会实现自动变温,在流动中完成变性����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������、退火和延伸反应,达到PCR扩增的目的。����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������
另外,一旦把PCR芯片与毛细管电泳芯片二者����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������集成起来的时候,其优势就显得更为����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������明显。Lagally E T等人在玻璃芯片上制����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������作了集阀门、疏水孔、PCR反应池以及毛����� �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������细管电泳(Capilla����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������ry Elec-tropho����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������resis,CE)于一体的芯片系统,P����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������CR反应池体积是280nL,PCR扩增前所需模����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������板浓度为20拷贝/mL,反应室中平均仅为5~����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������6个DNA模板分子,加热器和热电偶集成在芯片����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ����������� �������Ƴ�������的背面,10min即可完成����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������20个循环。反应完成后,PCR反应产物在电����� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������渗泵的驱动下进入毛细管电泳芯片中,进行在����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������线CE分离分析。该芯片系统集取样、PCR扩增����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������和CE分离于一体,节省了试剂消耗、加快了����� �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ������������ �������Ƴ�������分析速度,同时也避免了实验操作中的人����� �������Ƴ����������� �������Ƴ����������� �������Ƴ������������ �������Ƴ�������为污染。