微流控芯片技術(shù)（Microfluidics）是把生物、化學、醫(yī)學分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上， 自動完成分析全過程。由于它在生物、化學、醫(yī)學等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個生物、化學、醫(yī)學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

　　本文首先介紹了微流控技術(shù)原理及微流控芯片的工作原理，其次詳細的闡述了微流控芯片技術(shù)，末尾介紹了微流控技術(shù)在生物醫(yī)學上的應(yīng)用，具體的跟隨小編一起來了解一下。

　　微流控技術(shù)原理

　　微流控（microfluidics ）是一種精確控制和操控微尺度流體，以在微納米尺度空間中對流體進行操控為主要特征的科學技術(shù)，具有將生物、化學等實驗室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等縮微到一個幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成。是一個涉及了工程學、物理學、化學、微加工和生物工程等領(lǐng)域的交叉學科。

　　微流控是系統(tǒng)的科學技術(shù)，它使用幾十到幾百微米尺度的管道，處理或操控很少量的（10*至10~18升，1立方毫米至1立方微米） 流體。開始的微流控技術(shù)被用于分析。微流控為分析提供了許多有用的功能： 使用非常少的樣本和試劑做出高精度和高敏感度的分離和檢測，費用低，分析時間短，分析設(shè)備的印記小。微流控既利用了它明顯的特征一一尺寸小，也利用了不太明顯的微通道流體的特點，比如層流。它本質(zhì)上提供了在空間和時間上集中控制分子的能力。

　　微流控芯片的工作原理

　　微流控芯片采用類似半導體的微機電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實驗與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上，加載生物樣品和反應(yīng)液后，采用微機械泵。電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導熒光、電化學和化學等多種檢測系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測手段已經(jīng)被用在微流控芯片中，對樣品進行快速、準確和高通量分析。微流控芯片的特點是在一個芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復合體系的微全分析系統(tǒng)？微型反應(yīng)器是芯片實驗室中常用的用于生物化學反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如毛細管電泳、聚合酶鏈反應(yīng)、酶反應(yīng)和DNA 雜交反應(yīng)的微型反應(yīng)器等。其中電壓驅(qū)動的毛細管電泳（Capillary Electrophoresis，CE） 比較容易在微流控芯片上實現(xiàn)，因而成為其中發(fā)展很快的技術(shù)。它是在芯片上蝕刻毛細管通道，在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動，完成對樣品的檢測分析，如果在芯片上構(gòu)建毛細管陣列，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對數(shù)百種樣品的平行分析?！?/p>

　　微流控芯片技術(shù)詳解

　　1、微流控芯片的基質(zhì)材料

　　基質(zhì)材料是微流控芯片的載體，在微流控芯片發(fā)展的初期，硅材料作為構(gòu)建微流控芯片的材料而被廣泛使用，這主要歸因于業(yè)已成熟的半導體技術(shù)。但是隨著研究的不斷深入和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，它表現(xiàn)出了不同程度的局限性：硅材料屬于半導體，不能承受高電壓，此外，硅材料不透明，與光學檢測技術(shù)不兼容。

　　玻璃材料具有很好的電滲性質(zhì)和優(yōu)良的光學性質(zhì)，無論是從其物理性質(zhì)還是化學性質(zhì)來講，都非常適合于微流控芯片的制作，但是它的光刻和蝕刻技術(shù)工藝復雜、費時，制作成本過高，這些因素制約了玻璃微流控芯片的應(yīng)用和推廣。

　　因此，研究者們開始把更多的注意力轉(zhuǎn)向了原材料便宜、加工制作簡單的高分子聚合物，目前，以聚二甲基硅氧烷（PolydiMethyl-Siloxane，PDMS）為代表的有機高分子聚合物已成為微流控芯片研究的熱點，PDMS表現(xiàn)出了非常理想的材料特性：良好的絕緣性，能承受高電壓，已廣泛應(yīng)用于各種毛細管電泳微芯片的制作；熱穩(wěn)定性高，適合加工各種生化反應(yīng)芯片；具有很高的生物兼容性和氣體通透性，可以用于細胞培養(yǎng)；同時具有優(yōu)良的光學特性，可應(yīng)用于多種光學檢測系統(tǒng)；彈性模量低，適合于制作微流體控制器件，如泵膜等。此外，PDMS還可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等許多材料形成很好的密封。此外，較常用的高分子聚合物還包括聚甲基丙烯酸甲酯（PolyMethylMethAcrylate，PMMA）、聚碳酸酯（PolyCarbonate，PC）等?！?/p>

　　2、微流控芯片的加工技術(shù)

　　微細加工技術(shù)是微流控芯片發(fā)展的前提條件，微流控芯片的制作技術(shù)首先起源于制造半導體及集成電路芯片所廣泛采用的光刻（Lithography）和蝕刻技術(shù)（Etching），目前已經(jīng)廣泛地用于硅片、玻璃和石英等基質(zhì)材料上微流體網(wǎng)絡(luò)的制作。其微制造工藝為：首先通過光學制板照相技術(shù)制備包括微流控芯片圖案的掩模，制備好的掩模通常是鍍有鉻層的石英玻璃板；然后用甩膠機均勻地在芯片表面涂敷一層光刻膠，在紫外光下進行曝光，顯影。上述工作完成之后，用相應(yīng)的腐蝕劑對芯片進行蝕刻，蝕刻完成后，去除剩余的光刻膠便可獲得所需的芯片微細結(jié)構(gòu)。該方法工藝周期長、制作成本高，但其微加工技術(shù)非常成熟。

　　與硅片、玻璃材料不同的是，可用于微流控芯片加工制作的高分子聚合物種類繁多，而且各材料之間的物理化學性質(zhì)差別很大，所以它們的微加工技術(shù)表現(xiàn)出了一定的多樣性，目前主要有模塑法、熱壓法、LIGA技術(shù)、激光燒蝕技術(shù)和軟光刻法等。

　　a、模塑法（InjecTIon Molding）

　　是指通過光刻掩模技術(shù)制得凸起的微流控芯片陽模，然后在陽模上澆注液態(tài)的高分子聚合物，當高分子聚合物完全固化后將其與陽模剝離即可得到具有微流體網(wǎng)絡(luò)的基片，適宜采用模塑法的高分子材料應(yīng)該具有很低的黏度和很低的固化溫度，如PDMS，環(huán)氧樹脂，聚四氟乙烯等材料。

　　b、熱壓法

　　也是一種需要陽模的微流控芯片制造技術(shù)，該技術(shù)主要利用了高分子聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。與模塑法相比，熱壓法制得的微通道重復性較差，而且管道易產(chǎn)生變形，操作條件相對苛刻。該方法主要應(yīng)用于熱塑性材料的加工，如PMMA和PC等。

　　c、激光燒蝕（Laser AblaTIon）

　　是一種新型的微細加工技術(shù)，它是通過紫外激光降解高分子聚合物，適宜激光燒蝕加工的材料有PMMA、聚苯乙烯、硝化纖維等。

　　3、微流控芯片的微流體控制技術(shù)

　　微流體操縱技術(shù)是微流控芯片技術(shù)中重要的一個研究領(lǐng)域之一，通過各種機械或非機械力實現(xiàn)對流體的驅(qū)動和控制。依據(jù)微流體驅(qū)動體系中有無機械活動部件，可以將其分為機械和非機械驅(qū)動系統(tǒng)。

　　a、機械驅(qū)動系統(tǒng)

　　主要包括壓電微泵、靜電微泵等，它主要是通過靜電、壓電等不同方法來觸發(fā)引起的機械部件的運動，從而為微流體提供動力源，這種泵的優(yōu)點是任何流體都可以推動，但其所驅(qū)動的流體呈脈沖狀而不是連續(xù)式的。

　　b、非機械驅(qū)動系統(tǒng)

　　主要包括電滲泵、熱毛細管泵等，其中電滲泵是微流控芯片系統(tǒng)中常用的一種驅(qū)動力，相對于微機械壓力驅(qū)動的泵來說，電滲泵有很多優(yōu)點：如電滲泵易于制作而且沒有任何移動部件，電滲泵的樣品柱只有少量的擴散，此外，可以采用改變微通道壁x（電勢）的方法來進一步控制電滲流的量和方向。

　　4、微流控芯片檢測技術(shù)

　　微流控芯片的結(jié)構(gòu)特征決定了其檢測技術(shù)的特殊性，與傳統(tǒng)檢測儀器相比，微流控芯片對其檢測系統(tǒng)提出了更高的要求，如要求靈敏度高、響應(yīng)速度快、具有平行分析功能和便攜式特征等，目前基于不同原理的很多檢測技術(shù)都已經(jīng)應(yīng)用到微流控芯片的研究中，主要有光學檢測、電化學檢測、質(zhì)譜等方法。

　　a、光學檢測

　　光學檢測是微流控芯片檢測方法中應(yīng)用較廣的一種，其優(yōu)點在于靈敏度高、實用性強，且檢測器與分析對象不需直接接觸。其中激光誘導熒光檢測（Laser Induced Fluorescence，LIF）是目前靈敏的檢測方法之一，其靈敏度達到10-9mol/L~10-12mol/L，對于某些熒光效率高的分子，其檢測能力可以達到單分子水平，因此它也是當前商品化微流控系統(tǒng)中被采用的檢測器。但該檢測設(shè)備價格昂貴，而且體積龐大，與微尺寸的微流控芯片極不匹配，一定程度上限制了其廣泛推廣與應(yīng)用。

　　b、電化學檢測

　　基于電化學檢測原理的檢測系統(tǒng)可以說是完整的、集成、理想的芯片檢測系統(tǒng)之一，這主要有兩方面的原因：一方面，微電極的制造技術(shù)與當前微流控芯片的加工工藝是完全兼容的，可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)；另一方面，電化學檢測具有靈敏度高、選擇性好、不受光程和樣品渾濁度影響等優(yōu)點，且只需要極少的外圍輔助設(shè)備即可實現(xiàn)快速檢測，圖1給出的是一種便攜式電化學檢測系統(tǒng)。無疑，基于電化學原理的芯片檢測技術(shù)代表未來芯片檢測器的一個重要發(fā)展方向，顯示了巨大的應(yīng)用價值和潛力。

　　c、質(zhì)譜檢測

　　質(zhì)譜檢測技術(shù)作為生物化學分析的重要手段，由于能夠提供試樣組分中生物大分子的基本結(jié)構(gòu)和定量信息，所以在微流控芯片檢測器中表現(xiàn)出了巨大潛力，但當前質(zhì)譜檢測的瓶頸在于質(zhì)譜儀與微流控芯片的接口問題。
 

微流控技術(shù)在生物醫(yī)學上的應(yīng)用

　　從微流控芯片的分析性能看，其未來的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹謴V泛，并且其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷地拓展之中，但目前的重點顯然是在生物醫(yī)學領(lǐng)域。除此之外，高通量藥物合成與篩選、環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生、刑事科學及國防等方面也會成為重要的應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)僅就微流控芯片在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用舉三個例子說明微流控芯片系統(tǒng)的巨大潛力：

　　1、毛細管電泳分離

　　毛細管電泳芯片是微流控芯片中發(fā)展早、也是發(fā)展快的一項芯片技術(shù)，目前已經(jīng)成為微流控芯片領(lǐng)域中令人矚目的一個分支。與傳統(tǒng)的毛細管電泳相比，它具有自動化程度高、樣品消耗少、分析速度快以及高通量等特征，在對DNA片段、多肽、蛋白質(zhì)等生物大分子的分析中，它表現(xiàn)出了超強的分離分析能力，它被認為是后基因時代中有希望攻克蛋白質(zhì)研究、基因臨床診斷等科學難題的分離分析手段之一。

　　1992年Manz A發(fā)表了一篇有關(guān)毛細管電泳芯片的論文，該文以熒光染料為分析對象，以電滲流作為流體驅(qū)動力，在芯片微流體網(wǎng)絡(luò)中成功地實現(xiàn)了流體控制，向人們展示了毛細管電泳芯片的雛形和其優(yōu)越的分離分析能力，這一研究成果引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注和興趣，相繼各種用于氨基酸、蛋白質(zhì)、藥物等分離的芯片也不斷開發(fā)成功。為了進一步提高芯片的分析能力，Mathies領(lǐng)導的研究小組在直徑為200mm的圓盤玻璃芯片上集成384個毛細管電泳微通道，其有效分離長度達到了8cm，對100bp（base pair，堿基對）~1000bp的基因標準標記物達到了優(yōu)于10bp的分辨率，并在該芯片上完成了1163D變異基因的PCR-RFLP（限制性片斷長度多態(tài)性）分析，為臨床診斷提供了依據(jù)。

　　毛細管電泳微芯片是微流控分析芯片中產(chǎn)業(yè)化程度高、也是先實現(xiàn)商品化的一類芯片，早在1999年，美國惠普（現(xiàn)為安捷倫）與Caliper Tech-nologies公司聯(lián)合研制的首臺微流控芯片商品“2100生化分析儀”就已經(jīng)開始投放市場，該系統(tǒng)使用CAliper公司生產(chǎn)的玻璃芯片，采用LIF進行檢測，并配了5~6種試劑盒配合使用，可對DNA、RNA片段及蛋白質(zhì)等進行電泳分離檢測，玻璃芯片尺寸為1.8cm&TImes;1.8cm，有效分離長度約1.6cm，30min可同時完成12個樣的分離檢測。與傳統(tǒng)的基因和蛋白質(zhì)電泳相比，芯片毛細管電泳無需樣品的走膠、染色、脫色工序，無需干燥和照相等煩瑣耗時的步驟，同時快速測試多個試樣，獲得基因和蛋白質(zhì)的電泳圖和曲線。整個測試過程簡化為快速、簡易的三個步驟：裝載樣品、進行分析、觀察數(shù)據(jù)。

　　2、基因測序

　　毛細管電泳的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是基因測序，正是因為96根毛細管電泳陣列儀廣泛地應(yīng)用于人類基因組計劃的測序工作之中，才使舉世矚目的人類基因組計劃的進程大大加快，使之由原定的2003年提前到2000年基本完成。事實上，從基因測序的原理來講，芯片毛細管電泳測序和普通毛細管電泳測序是完全一致的，但前者表現(xiàn)出了更大的優(yōu)越性：首先由于芯片毛細管電泳獨特的注樣方式和更細的分離通道，所以它能實現(xiàn)DNA的快速分離；另一方面微流控芯片采用了半導體工業(yè)中成熟的微加工技術(shù)進行制造，所以一塊芯片上可以集成更多的毛細管，實現(xiàn)高通量測序；由于它實現(xiàn)了產(chǎn)物處理和分析的集成化，減少了人為干擾，因此更進一步地降低了操作成本。

　　Mathies領(lǐng)導的研究小組早在1995年就開始在微流控芯片上開展了DNA測序工作，他們在一塊有效分離長度為3.5cm的芯片上測序了150個堿基，他們利用芯片變性毛細管電泳在10min之內(nèi)就完成了對433個堿基序列的測定。該測序芯片的毛細管長度為3.5cm，橫切面尺寸50μm&TImes;8μm。為了進一步提高DNA測序能力，到2001年他們在直徑為150mm的圓形玻璃芯片上，刻蝕出了96個呈輻射型排布的毛細管電泳通道陣列，由于芯片采用旋轉(zhuǎn)掃描LIF法進行檢測，所以可實現(xiàn)平行測序，測序達500堿基。

　　3、PCR反應(yīng)

　　生化反應(yīng)芯片的功能就是把在普通實驗室中進行的生化反應(yīng)實驗縮微到一塊小小的芯片上來完成。目前報道的生化反應(yīng)芯片主要包括聚合酶鏈反應(yīng)（Polymerize Chain Reaction，PCR）芯片、藥物合成芯片等，其中PCR芯片是生化反應(yīng)芯片的典型代表。眾所周知，常規(guī)PCR需要制樣、擴增及檢測等步驟，既費時又費力，而當用微流控芯片進行PCR擴增及相關(guān)檢測時，則可大大簡化操作步驟、顯著提高檢測效率。1993年Northrup等人以硅片和玻璃為基質(zhì)材料初次報道了一種PCR芯片，并通過實驗證明了PCR芯片可行性。該芯片的反應(yīng)室刻蝕在硅片中，體積約為幾微升，加熱器也直接集成在芯片上，與傳統(tǒng)的PCR相比，在相同擴增效率下，該芯片的熱循環(huán)效率快2~ 10倍。為了進一步提高PCR芯片的熱循環(huán)速度，Kopp M U等人發(fā)展了一種連續(xù)流動式的PCR芯片，流動式芯片下面有95℃、72℃、60℃三個不同的恒溫區(qū)間，當樣品流經(jīng)它們時就會實現(xiàn)自動變溫，在流動中完成變性、退火和延伸反應(yīng)，達到PCR擴增的目的。

　　另外，一旦把PCR芯片與毛細管電泳芯片二者集成起來的時候，其優(yōu)勢就顯得更為明顯。Lagally E T等人在玻璃芯片上制作了集閥門、疏水孔、PCR反應(yīng)池以及毛細管電泳（Capillary Elec-trophoresis，CE）于一體的芯片系統(tǒng)，PCR反應(yīng)池體積是280nL，PCR擴增前所需模板濃度為20拷貝/mL，反應(yīng)室中平均僅為5~6個DNA模板分子，加熱器和熱電偶集成在芯片的背面，10min即可完成20個循環(huán)。反應(yīng)完成后，PCR反應(yīng)產(chǎn)物在電滲泵的驅(qū)動下進入毛細管電泳芯片中，進行在線CE分離分析。該芯片系統(tǒng)集取樣、PCR擴增和CE分離于一體，節(jié)省了試劑消耗、加快了分析速度，同時也避免了實驗操作中的人為污染。