微流控芯片分析法.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date微流控芯片分析法微流控芯片分析法微流控芯片分析法一、概述微流控分析是指利用微流控芯片或系统对物质的组成、含量、结构和功能进行测定和研究的一类分析方法。它起源于20世纪90年代初由瑞士的ManZ和Widmer提出的以微机电系统（microelectromechanical systems,MEMS）技术为基础的“微全分析系统”(miniaturized total an

2、alysis systems，或micro total analysis systems，TAS）概念1,其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，甚至集成到方寸大小的芯片上。由于这种特征，该领域还有一个更为形象的名称“芯片实验室”（lab a chip）。上述系统的核心是微流控芯片(microfluidic chips)，其结构特征是在方寸大小的散芯片上加工微通道网络，通过对通道内微流体的操纵和控制，实现整个化学和生物实验室区功能2。二、 微流控分析的基本技术1. 微流控芯片加工技术 微流控芯片的基本结构单元是具有微米级深度和宽度的微通道，

3、由其构成微通道网络，并根据不同的需要集成微结构、微阀、微泵、微储液器、微电极、微检测器、微控制和微处理等单元，组成完整的微流控芯片系统。因此，加工微流控芯片需采用特殊的微细加工技术，该技术起源于微电子工业中的微机电加工技术，目前已发展出多种适合不同芯片材质的芯片微加工技术2-4。微流控芯片所使用的材料包括无机和有机材料两大类。常用的无机材料包括单晶硅、无定型硅、玻璃、石英、金属等。利用硅材料加工微流控芯片的优点是芯片表面光洁度好，图形复制精准度高，具备三维结构加工能力，工艺成熟，可批量生产。其缺点是材料易碎、不透光、电绝缘性不好。通常被用于加工微泵、微阀和控制元器件，或制作高分子聚合物芯片的模

4、具。玻璃和石英是目前加工微流控芯片中使用较多的材料，其优点是透光性好，机械强度高，微加工工艺较成熟；其表面的电渗和亲水性质适于进行毛细管电泳分析。石英材料可透过紫外光，但其成本是玻璃的十倍。目前，用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。热塑性聚合物包括聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂和聚氨酯。溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等。高分子聚合物材料的优点是材料种类多、成本低、适合大批量制作等。其中，PDMS因其具有良好的微结构成形性、透光性和生物相容性，是目前使用最多的高聚物芯片加工材料。通常微流

5、控芯片的加工按流程分为两部分：芯片微通道加工和芯片的封合。目前，微通道的加工方法主要有光刻和蚀刻法、模塑、热压法、激光刻蚀法、LIGA技术和软光刻法等。其中，光刻和蚀刻法主要是用于无机材料芯片的加工及芯片模具的加工。模塑、热压法、激光刻蚀法、LIGA技术和软光刻法等主要是用于高分子聚合物芯片的加工。芯片的封合技术则有热键合、常温键合、黏结法等，不同材质的芯片封合方法各有不同。2. 微流体驱动技术微流控芯片分析系统在结构上的主要特征是各种构型的微通道网络，通过对通道内微流体操控，完成芯片系统的分析功能。微流体驱动系统是实现微流体控制的前提和基础。微流控芯片分析系统所使用的驱动系统，突出特点是流量

6、低，通常范围在pL-L/min。依据驱动系统有无活动的机械部件，可分为有活动机械驱动部件和无活动机械驱动部件的微驱动系统（泵）。依据微驱动系统所用的驱动动力的不同，可分为流体动力、气动动力、电渗动力、重力（流体静压力）、热气动动力、表面张力、剪切力、离心力、声波动力、压电动力等。目前在微流控分析系统中使用的流休动力驱动系统主要有微量注射泵和各类微机械往复泵。微量注射泵具有驱动流量稳定，可调范围大的优点，但其体积较大。不易实现系统的微型化：微机械往复泵的组成通常包括以下部分：一个具有出入通道的微体积泵腔，出入两通道上分别设置两个控制流向的单向阀，泵腔的部分内壁由可往复运动的泵膜（可活动的机械部件

7、，通常为隔膜或活塞形状）构成；致动器产生致动力作用于泵膜，使其发生形变或位移（运动），以驭动泵腔内的液体。其基本工作模式是由致动力的循环往复变化，产生泵膜的往复运动，配合两单向阀的限流作用，形成单向连续流动的液流。微机械往复泵按致动器类型的不同有压电微泵、电磁微泵、静电微泵、气动微泵、热气动微泵、双金属微泵等。微机械往复泵的特点是体积微小，易与芯片集成化，但结构复杂，加工难度较大，输出液流流速有脉动，泵压较低。目前，在微流控芯片分析系统中，使用最多的微机械往复泵是基于PDMS气动微阀的微蠕动泵5。该系统采用多层软光刻技术加工，其有结构简单，体积微小，易实现芯片集成化、规模化加工的特点。目前，微

8、流控芯片分析系统中使用较多的非机械驱动方式有电渗驱动、重力（流体静压力）驱动、负压驱动和离心力驱动等。电渗驱动是在芯片毛细管电泳系统中占主导地位的驱动技术。电渗驱动的原理是利用微通道表明存在的固定电荷进行驱动，属于致动力直接作用于流体的驱动方式电渗驱动的特点是：以高电压直接驱动液流，无需活动的机械部件；液流流动无脉动，生扁平流型；驱动同时，可以实现无阀无机械部件的微流控操作（如液流汇合、分流、切换等）；电渗流易受多种因素变化的影响，如外加电场强度、通道壁性质、介质解离性、离子强度、黏度等，以及试样中组分的吸附，系统长时间工作的稳定性有待提高。重力（流体静压力）驱动和负压驱动方法因其简便易行，也

9、少目前芯片系统中经常使用的流体驱动方法。离心力驱动方法因可实现多通道内流体的同时驱动，多用于多通道阵列芯片中。3. 微流体控制技术微流控技术的核心是对微流体的操纵和控制。根据实现微流体控制时使用方法的不同，基本的微流控技术可分为：驱动（微泵）控制、微阀控制、芯片微结构控制、多相流体控制，以及基于光、电、磁、声、热等效应的控制技木等。上述方法在各种微流控芯片分析系统中均有不同形式应用。阀是在流动通道内起控制性限流作用的器件。按阀的功能可分为单向阀和切换阀。切换阀的类型有多种，如三通阀和多位选择阀等。按阀的结构可分为机械阀和非机械阀，前者的阀系统通常含有活动的机械部件，而后者则不含活动的机械部件。

10、按阀中有无致动器可分为主动阀和被动阀两类。主动阀的原理是利用致动器产生的致动力实现阀的开闭或切换操作。PDMS气动微阀是目前微流控芯片系统中使用较多的一类主动阀。被动阀的工作原理是利用流体本身参数的变化（如流动方向、流动压力等）实现阀状态的改变。其特点是阀体积小，无需外来的致动力多被用来实现单向阀的功能。被动阀的典型代表是突破阀（burst valve)，利用通道表面张力的变化产生阻流作用，起到阀封闭的功能；利用增加流体前进的动力，突破上述阻力，实现阀开启的功能。微流动通道不仅提供流体流动和进行微流控操作的场所，而且经过特殊设计的微通道网络本身即可作为微流体控制的一种重要手段。与流动通道有关的

11、微流控方法，可分为改变微通道构型、改变表面性质、在通道内外附加装置等三类方法。在微流控芯片各单元功能的实现上，微通道构型的设计起到了至关重要的作用。例如，芯片进样操作中，不同的通道构型可完成不同模式的进样操作，如T型通道、十字通道、双T型通道等。此外，在芯片毛细管电泳系统中弯道效应的消除以及在微混合器设计中，通道构型的设计起到了关键作用。 三、微流控芯片分析系统完整的微流控芯片分析系统应包括取样、进样、试样预处理（预分离、浓集、稀释、混合、反应等）、高分辨分离、检测及系统控制和数据处理显示等单元系统。1，微流控芯片进样系统进样技术是微流控芯片分析系统中的关键技术。以微流控芯片毛细管电冰系统为例

12、，主要有两类进样方式，基于时间的和基于体积的进样方法。前者主要包括T型通道进样法和门式进样法，目前门式进样法使用较多；后者包括“十”字通道和“双T”型通道进样法。门式进样法（gated injection6）的原理。在注样阶段，即“十”字通道的交又区，两液流呈并行流动的层流流形，相互间互不干扰；在充样阶段，一部分试样液流分流进人分离通道，通过控制充样电压和时间，可以控制进样量。其优点是在分离的同时可方便地进行试样更换操作，适用于在线连续监测和芯片上多维分离系统，但存在电动进样的歧视性效应问题。2，微流控试样预处理系统 在进行检测之前，试样往往需经过一系列预处理（如试样预分离、预浓集和稀释等）和

13、反应操作。通常预处理操作采用技术有过滤、渗析、气体扩散、液-液萃取等。反应操作则包括为完成分析目的所进行的各类反应，如标记（衍生化）反应、酶催化反应、免疫反应、聚合酶链反应（PCR）及其他生化反应等。3，高分子分离系统目前微流控芯片系统中使用的高分辨分离技术主要为芯片毛细管电泳和芯片高效液相色谱技术。芯片毛细管电泳是加工有微通道的玻璃、石英、高分子聚合物芯片为载体，进行毛细管点用分离分析。与经典毛细管电泳系统相比，芯片毛细管电泳系统具有分离速度快、分离效率高、进样体积小、流体操控能力强、系统集成化和微型化等特点，已成功应用于多种电泳分离模式，包括区带电泳、胶束电动色谱、凝胶电泳、等电聚焦、等速

14、电泳、电色谱等，分离的样品包括氨基酸、手性氨基酸、药物、金属离子、蛋白质、多肽、DNA、RNA等生化样品。 目前，芯片液相色谱技术也得到较快发展。最近，Agilent公司研发了一种集成化的微流控高效液相色谱芯片，将液相色谱系统的进样阀、预富集柱、分离柱和用于电喷雾质谱检测的电喷雾针集成于高聚合物芯片上。首先利用预富集柱对样品进行富集，然后再通过进样阀将富集在预富集柱上的样品洗脱，注入色谱柱中进行分离，流出的组分通过电喷雾针进入质谱进行检测。该系统被应用于酶解牛血清蛋白（BSA）样品的分析和肿瘤标志物的发现。4，微流控芯片检测系统因微流控分析系统操作的液体体积通常也在纳升、皮升，甚至飞升级，因此

15、，相对常规分析系统，芯片系统对其检测器系统的灵敏度和信噪比提出了更高的要求。此外，如需实现分析系统的微型化，还会在检测的体积、系统集成度和成本等方面提出更高的要求。微流控分析系统的检测器一般按其检测原理可分为光学检测器、电化学检测器和质谱检测器等。其中，光学检测器还可分为荧光、吸收光度、化学发光。激光热透镜、核磁共振、原子光谱、折射率检测器等。电化学检测器包括安培、电导和电位检测器。质谱检测器主要有电喷雾离子化质谱（ESI-MS）和基质辅助激光解析离子化质谱（MALDI-MS）检测器两类。荧光检测器是在微流控芯片系统中应用最早，并且至今仍然广泛使用的光学检测器7。采用激光作为激发光源的荧光检测

16、方法具有很高的灵敏度，通常灵敏度为10-3-10-9mol/L，甚至可达到单分子检测水平。此外，配有高灵敏CCD照相机的荧光显微镜也是目前常用的芯片荧光检测器。电化学检测方法的种类繁多，目前在微流控分析系统中所采用的电化学检测器主要有安培、电导和电位检测器。电化学检测器的电极容易在芯片上进行微型化加工，且其检测灵敏度不会因通道几何尺度的缩小而降低，因此在原理上在微流控分析系统中采用电化学检测具有独特的优势。芯片电化学检测器中使用较多的工作电极是碳电极、金属电极和化学修饰电极。碳电极多采用碳素墨水、碳糊等材料通过筛印和填充等微加工技术制作。金属电极多采用金膜电极和铂电极，采用喷涂法、光刻法或化学

17、镀法加工。四、总结与常规分析系等些竺，禅流控分析系统通常具有以下特点： (1)微量一试件与试剂的消耗可由微升级降低至纳升级，甚至皮升级。不仅降低厂分析费用和贵重生物试样的消耗，也减少了对环境的污染。(2)高速-许多微流控分析系统可在数秒至数十秒时间内完成反应和分析操作。速度常较宏观系统高1-2个数量级。其高速特点主要来源于微米级通道中的高传质和高传热速率，以及反应和分析系统空间尺寸的缩小。(3)高通量-在微流控芯片上容易加工多个反应和分析通道，形成并行的多通道阵列分析系统，实现高通最分析。(4)系统微型化、集成化和自动化-利用微加工技术可将多个分析和控制功能单元集成在数平方厘米的芯片上，能够实

18、现分析系统的微型化、集成化和自动化，进而发展出功能齐全的便携式分析仪器，用于各类现场分析。(5)显著的尺度效应在微流控系统内，存在着多种区别于宏观系统的尺度效应，如层流效应、快速扩散传质效应、快速传热效应、界面效应等。此外，由于尺度相近，微流控系统尤其擅长进行单个细胞的操控，是进行复杂细胞操控和分析、大规模单细胞分析及单分子分析的理想工具。 由于微流控分析技术所具有的独特优势，白该技术出现以来，相关研究取得了快速发展。目前，微流控分析技术已应用到化学、生物学、医学、药学、材料学、物理学、计算机学等多个学科领域。在超微量样品的生化检测，高灵敏单细胞单分子分析，分子生物学、细胞生物学、结构生物学和

19、合成生物学研究，高通量药物筛选，临床诊断，现场即时检测（point-of-care testing,POCT），环境监测、卫生检疫、司法鉴定和生物试剂侦检中的现场检测，新材料合成与筛选，以及天体生物学研究等众多领域中，表现出突出的应用潜力和广阔的应用前景。此外，随着微流控芯片技术本身的发展，也逐渐形成了一门多学科交叉的新兴学科微流控学（microfluidics)：在微米尺度空间内操控微量流体的技术与科学。近年来，在微流控芯片研究领域还出现了许多新的分支，如纳流控芯片与纳流控学（nanofluidic chip和nanofluidics），多相微流控技术，光速控技术，以及仿生器官芯片和人体芯片

20、技术等。这些科学和技术的出现，为微流控分析技术的发展提供了更加强大的理论和技术支撑，以及更加广阔的应用。参考文献：1 Manz A,Graber N,Widmer H M.Sens Actuators B,1990,B1:2442 方伦.微流控分析芯片.北京:科技出版社，2003.13 方伦.微流控分析芯片制作及应用.北京:化学工业出版社，2005.14 林炳承，秦建华.微流控分析芯片实验室.北京:科技出版社，2006.15 Unger M A,Chou H P,Thorsen T,et al.Science,2000,288:1136 Jacobson S C,Hergenroder R,Moore A W,et al.Anal Chem,1994,66:41277 Jiang G,Attiya S,Ocvirk G,et al.Biosens Bioelectron,2000,14:861-