流動(dòng)「芯」淺析微流控芯片

1、流動(dòng)的芯淺析微流控芯片更新時(shí)間：2014-3-5資訊：資訊：淺析微流控芯片技術(shù)林炳承：微流控芯片技術(shù) 中國(guó)應(yīng)奮起直追微流控芯片技術(shù)大事記IBM微流控芯片技術(shù)助力癌癥診斷微流控芯片技術(shù)Lab on Chip開啟基因組DNA質(zhì)量評(píng)估新方法微流控芯片模擬藥物在人體中的代謝過(guò)程問(wèn)答：微流控芯片的進(jìn)樣方式有哪些？大家一般都用哪種方式進(jìn)樣?。?微流控分析系統(tǒng)從以電滲流為主要液流驅(qū)動(dòng)手段發(fā)展到流體動(dòng)力、氣壓、重力、離心力、剪切力等多種手段。微流控芯片的進(jìn)樣方式主要還是電動(dòng)進(jìn)樣，即在外加電場(chǎng)的作用下，依靠電滲流將樣品送入分離溝道。迄今為止，電動(dòng)進(jìn)樣主要有懸浮進(jìn)樣、門進(jìn)樣和收縮進(jìn)樣等幾種方式。其中懸浮進(jìn)樣是電動(dòng)

2、進(jìn)樣方式中操作最簡(jiǎn)單的一種。該方法主要是將樣品廢液池接地，緩沖液池和廢液池懸浮，當(dāng)給樣品池施加一定的電壓時(shí)，樣品就會(huì)沿著進(jìn)樣通道向樣品廢液池流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)樣品的裝入。采用門進(jìn)樣的方法是將樣品池和緩沖液池的位置進(jìn)行了交換，整個(gè)進(jìn)樣過(guò)程可分為3 步：（1）進(jìn)樣前讓樣品池和廢液池都接地，給樣品池和緩沖液池分別加上一定的電壓，使緩沖液池中的緩沖液同時(shí)向廢液池和樣品池兩個(gè)方向流動(dòng)；（2）將緩沖液池和樣品池懸浮一段時(shí)間，完成樣品的裝入；（3）使緩沖液池和樣品池恢復(fù)到進(jìn)樣前的電位狀態(tài)，樣品進(jìn)入分離通道，同時(shí)也為下一次進(jìn)樣做好了準(zhǔn)備。該進(jìn)樣方式主要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣。收縮進(jìn)樣的樣品裝入過(guò)程與懸浮進(jìn)樣不同，

3、樣品池、緩沖液池和廢液池都加上了電壓，樣品池接地。這樣，在樣品向樣品池流動(dòng)的同時(shí)，來(lái)自緩沖液池和廢液池的緩沖溶液也向樣品池移動(dòng)，制止了樣品朝這兩個(gè)池子方向的擴(kuò)散。收縮進(jìn)樣法最大的優(yōu)點(diǎn)就是樣品的進(jìn)樣量可以得到精確控制。 什么是PCR微流控芯片？ PCR(polymerase chain reacton) 微流控芯片是一種完美的體外無(wú)限擴(kuò)增核酸的技術(shù), 該技術(shù)就是將模板DNA、引物、Taq 酶、緩沖液混合均勻, 加入到芯片狀固體支持物上加工的微反應(yīng)槽, 然后讓PCR混合物重復(fù)通過(guò)由不同方法加熱的芯片上三個(gè)恒溫區(qū)melting (94) : annealing (55) : extension(72

4、) , 從而實(shí)現(xiàn)DNA的變性、退火和擴(kuò)增。微流控芯片是怎么做出來(lái)的？其制作方法有哪些？芯片微通道的制作主要有如下方法：（1）光刻化學(xué)腐蝕方法；（2）等離子或反應(yīng)離子深刻蝕方法，微通道的截面形狀為矩形，可得到較高的深寬比；（3）注塑、印?；蚣す鉄g；（ 4）軟刻蝕技術(shù)等。鍵合是微流控芯片加工中一個(gè)關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，一般可分為直接鍵合、靜電鍵合、熱鍵合和粘接等方法，不同的材料，其制作方法也有所不同。什么是PDMS微流控芯片？ PDMS指的是聚二甲基硅氧烷，它是常用的芯片材料。因聚合物表面具有惰性和憎水性 ,電滲流的大小和穩(wěn)定性均低于玻璃或石英材料,使用前,通常需進(jìn)行改性以增強(qiáng)表面的極性或親水性來(lái)提高

5、和穩(wěn)定電滲流。PDMS 改性中最常用的是等離子體改性 ,但等離子體氧化處理后的PDMS微芯片的電滲流極不穩(wěn)定?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)研究微流控芯片技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)有哪些？ 北京：中科院電子所上海：中科院微系統(tǒng)研究所浙江大學(xué)微分析系統(tǒng)研究所方群教授的團(tuán)隊(duì)大連微分析系統(tǒng)研究所林秉承教授的研制組微流控芯片毛細(xì)管電泳是什么？ 就是在玻璃或石英等材料上刻制微細(xì)同道，然后加上電壓進(jìn)行分離的技術(shù)。該技術(shù)集中了毛細(xì)管電泳和色譜的優(yōu)勢(shì)于一體，是一種嶄新的分析平臺(tái)，目前國(guó)內(nèi)有大連化物所，中科院及南通附屬醫(yī)院開展較多。微流體技術(shù)有什么特點(diǎn)？ 總體上看，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）集成性，芯片集成的單元部件越來(lái)越多，且集成的規(guī)模也越來(lái)

6、越大。所涉及到的部件包括：和進(jìn)樣及樣品處理有關(guān)的透析、膜、固相萃取、凈化；用于流體控制的微閥（包括主動(dòng)閥和被動(dòng)閥），微泵（包括機(jī)械泵和非機(jī)械泵）；微混合器，微反應(yīng)器，當(dāng)然還有微通道和微檢測(cè)器等。（2）分析速度快。（3）高通量。（4）能耗低，物耗少，污染小。每個(gè)分析樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十個(gè)微升，被分析的物質(zhì)的體積只需納升級(jí)或皮升級(jí)。（5）廉價(jià)，安全。因此，微流控分析系統(tǒng)在微型化、集成化和便攜化方面的優(yōu)勢(shì)為其在生物醫(yī)學(xué)研究、藥物合成篩選、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、衛(wèi)生檢疫、司法鑒定、生物試劑的檢測(cè)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極為廣闊的前景。微流體技術(shù)的起源是什么？有沒(méi)有相關(guān)的發(fā)展歷程？ 微流體技術(shù)最早由瑞

7、士Ciba-Geigy公司的Manz與Widme在1990年提出，當(dāng)時(shí)設(shè)想是發(fā)展一種可能作為一個(gè)化學(xué)分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件即-TAS。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管電泳與流動(dòng)注射分析，借電滲流實(shí)現(xiàn)了混合熒光染料樣品注入和成功電泳分離。1994年始，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ramsey在Manz的工作基礎(chǔ)上發(fā)表了一系列論文，改進(jìn)了芯片毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣方法，提高了其性能與實(shí)用性，引起了更廣泛的關(guān)注。1995年，美國(guó)加州大學(xué)的Mathies等在微流體芯片上實(shí)現(xiàn)了DNA等速測(cè)序，標(biāo)志著芯片的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)入了新階段，首家微流體芯片企業(yè)Caliper T

8、echnologies公司也于該年9月成立。1996年Mathies又將基因分析中有重要意義的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）擴(kuò)增與毛細(xì)管電泳集成在一起，展示了微全分析系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)研究方面的巨大潛力。1998年之后，一些微流體芯片開發(fā)企業(yè)紛紛與世界著名分析儀生產(chǎn)廠家合作，例如，Agilent與Caliper聯(lián)合利用各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)推出首臺(tái)這方面的分析儀器Bioanalyzer2100及相應(yīng)的分析芯片。至此，微流體芯片技術(shù)的開發(fā)成為了研發(fā)熱點(diǎn)。微流體芯片實(shí)驗(yàn)室主要有哪些部分構(gòu)成？微流控芯片實(shí)驗(yàn)室主要有以下3部分構(gòu)成：（1）芯片材料。在微米或者納米的數(shù)量級(jí)上，可用于芯片的常見材料有玻璃，石英和各種塑料。玻璃

9、和石英有很好的電滲性質(zhì)和優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，可采用標(biāo)準(zhǔn)的刻蝕工藝加工，可用比較熟悉的化學(xué)方法進(jìn)行表面改性，加工成本較高，封接難度較大。常用的有機(jī)聚合物包括剛性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），彈性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚碳酯（PC）等，它們成本低，可用物理或化學(xué)方法進(jìn)行表面改性，制作技術(shù)和玻璃芯片有較大的區(qū)別。（2）芯片分析系統(tǒng)，主要包括驅(qū)動(dòng)源和信號(hào)檢測(cè)裝置。樣品和試劑的充分接觸、反應(yīng)或分離必須有外力的作用，這種外力一般為電場(chǎng)力、正壓力、負(fù)壓力或微管虹吸原理產(chǎn)生的力。人們常采用高壓電源產(chǎn)生電場(chǎng)力或泵產(chǎn)生正、負(fù)壓力作為驅(qū)動(dòng)源。由芯片內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)需要被檢測(cè)，目前最常用的檢測(cè)手段是激光誘導(dǎo)熒光，此

10、外還有電化學(xué)、質(zhì)譜、紫外、化學(xué)發(fā)光和傳感器等。激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器主要由激光源、光學(xué)透鏡組和以光電倍增管或CCD為主的熒光信號(hào)接收器件組成。特點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高，被廣泛采用；但現(xiàn)階段其體積仍然偏大。驅(qū)動(dòng)源和檢測(cè)裝置是芯片實(shí)驗(yàn)室儀器的主要組成部分，其體積的大小直接決定了芯片分析儀的大小，因此人們正努力追求將這兩部分做到最小。目前，電化學(xué)檢測(cè)由于其體積較小，與高壓電源一起可制成便攜式分析儀，加之有電化學(xué)響應(yīng)的物質(zhì)很多，所以在芯片中的應(yīng)用研究較多。電化學(xué)檢測(cè)器的一般做法是將電極集成到芯片上，采用安培或電導(dǎo)法進(jìn)行檢測(cè)，其中電泳分離電壓對(duì)檢測(cè)電流的干擾是電化學(xué)檢測(cè)需要克服的問(wèn)題之一。用于電化學(xué)檢測(cè)的電極材料

11、有碳糊、碳纖維、銅絲、金絲等。被檢測(cè)物質(zhì)有氨基酸、肽、碳水化合物、神經(jīng)遞質(zhì)等。集成電泳分離、酶聯(lián)免疫和生物化學(xué)等于一體以實(shí)現(xiàn)多功能（例如多人同時(shí)檢測(cè)或多種免疫指標(biāo)的同時(shí)檢測(cè)）的芯片實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，體現(xiàn)了微流體芯片技術(shù)的集成化特點(diǎn)，也代表了微流體芯片技術(shù)的發(fā)展方向。（3）包含有實(shí)現(xiàn)芯片功能化方法和試劑盒。將質(zhì)譜法、紫外-可見檢測(cè)法等現(xiàn)有的檢測(cè)方法移植到芯片實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)上，是微流體芯片研究的主要思路。CFD軟件FLUENT能計(jì)算微通道流體/納米流體嗎？FLUENT求解的是標(biāo)準(zhǔn)N-S方程，標(biāo)準(zhǔn)N-S方程是基于連續(xù)性假設(shè)的。FLUENT能否微流體/納米流體，關(guān)鍵是要看此類流體適用于什么樣的方程。經(jīng)常采用的

12、判斷方法：（a）計(jì)算克努森數(shù)（Knudsen Number），Kn=/L，式中是流體分子的平均自由程，L是系統(tǒng)的參考長(zhǎng)度尺度。（b）Kn接近于0時(shí)，適用于歐拉方程（Euler Equation）來(lái)描述流體; （0，0.001），可以采用無(wú)滑移邊界條件的N-S方程來(lái)描述流體; （0.001，0.1），可以采用有邊界有滑移、溫度有突躍的修正N-S方程來(lái)描述流體; （0.1，10）屬于屬過(guò)渡區(qū)；當(dāng)kn大于10時(shí)，采用分子假設(shè)，適于用波爾茲曼方程（Boltzmann Equation）來(lái)描述流體。如稀薄氣體流動(dòng)，其分子平均自由程遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的參考長(zhǎng)度。常見的微流體（參考長(zhǎng)度很?。㎏n大多是大于0.001

13、，即一般情況下標(biāo)準(zhǔn)N-S方程無(wú)法計(jì)算。因此只要換算出Kn數(shù)就知道如何做了。文庫(kù)： 高聚物基PCR微流控芯片技術(shù)PCR微流控芯片是一種完美的體外無(wú)限擴(kuò)增核酸的技術(shù), 是第三代PCR 技術(shù)。目前英國(guó)、德國(guó)、日本、中國(guó)等多家研究單位已經(jīng)成功地應(yīng)用自己研制的PCR 微流控芯片在實(shí)驗(yàn)室完成DNA 擴(kuò)增?；谀壳按蠖嘈酒捎霉杌蛘卟Ａё鳛榛? 存在加工工藝復(fù)雜和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn),通過(guò)對(duì)不同材料性能比較, 認(rèn)為價(jià)格便宜、加工方法簡(jiǎn)單的高聚物數(shù)字微流控生物芯片片級(jí)設(shè)計(jì)及優(yōu)化(Chip-Level Design and Optimization for Digital Microfluidic Biochips

14、)利用CAD技術(shù)對(duì)微流控芯片進(jìn)行片級(jí)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。 鍵合方法對(duì)聚二甲基硅氧烷液滴型微流控芯片的影響液滴型微流控芯片表面性質(zhì)是影響其性能的重要因素. 研究了不同鍵合方法對(duì)基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的液滴型微流控芯片微管道表面性質(zhì)的影響, 并分別觀察和評(píng)價(jià)了不同鍵合方法所制作液滴型微流控芯片應(yīng)用于制備油包水和水包油兩種液滴分散體系的效果. 結(jié)果顯示熱擴(kuò)散鍵合方法適用于制作油包水型PDMS 液滴型微流控芯片, 而等離聚二甲基硅氧烷微流控芯片的紫外光照射表面處理研究研究了紫外光化學(xué)表面改性對(duì)聚二甲基硅氧烷(PDM S) 微流控芯片的片基間粘接力及毛細(xì)管通道電滲流性能的影響. PDM S 片基經(jīng)紫外光

15、射照后, 粘接力增強(qiáng), 可實(shí)現(xiàn)PDM S 芯片的永久性封合, 同時(shí)親水性得到改善, 通道中的電滲流增大. 與文獻(xiàn)報(bào)道的等離子體表面處理方法比較, 采用紫外光表面處理, 設(shè)備簡(jiǎn)單, 操作 聚二甲基硅氧烷-紙復(fù)合微流控芯片上的肝癌細(xì)胞三維培養(yǎng)研發(fā)了一種聚二甲基硅氧烷-紙復(fù)合型微流控芯片用于肝癌細(xì)胞三維培養(yǎng)。芯片使用明膠處理硝酸纖維素薄膜作為細(xì)胞培養(yǎng)基底,以水凝膠網(wǎng)格作為三維培養(yǎng)支撐。結(jié)合微通道主動(dòng)灌流與水凝膠中的被動(dòng)擴(kuò)散,模擬體內(nèi)的流體運(yùn)輸形式實(shí)現(xiàn)細(xì)胞與外界物質(zhì)交換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,芯片上的液滴生成以及細(xì)胞定位種植簡(jiǎn)便可靠。連續(xù)監(jiān)測(cè)顯示肝癌HepG2 細(xì)胞在微流控芯片技術(shù)在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用微流控

16、芯片最初起源于分析化學(xué)領(lǐng)域，是一種采用精細(xì)加工技術(shù)，在數(shù)平方厘米的基片，制作出微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其它功能單元，以實(shí)現(xiàn)集微量樣品制備、進(jìn)樣、反應(yīng)、分離及檢測(cè)于一體的快速、高效、低耗的微型分析實(shí)驗(yàn)裝置。隨著微電子及微機(jī)械制作技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來(lái)微流控芯片技術(shù)發(fā)展迅猛，并開始在化學(xué)、生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用利用便攜式微流控芯片快速檢測(cè)微RNA(Rapid Sub-attomole MicroRNA Detection on a Portable Microfluidic Chip)利用微流控芯片技術(shù)快速、高效地檢測(cè)微RNA。 發(fā)展中國(guó)家基于微流控芯片的傳染病診斷技術(shù)(Microfluid

17、ics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world)以盧旺達(dá)當(dāng)?shù)鼐用駷闃颖荆梦⒘骺匦酒夹g(shù)進(jìn)行傳染病診斷研究試驗(yàn)。 基于uC_OS_II的微流體芯片嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)建本文構(gòu)建具有DNA 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)( PCR) 和毛細(xì)管電泳(CE)分離檢測(cè)功能的微流體芯片uC/OS- II 嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用32 位嵌入式微控制器ARM 實(shí)現(xiàn)PCR 擴(kuò)增所需的閉環(huán)溫度控制功能, 毛細(xì)管電泳分離功能所需的高壓電場(chǎng)自動(dòng)調(diào)度功能。uC/OS- II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)加強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。模 便攜式PCR_CE微流

18、體芯片分析儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)并開發(fā)出用于DNA 聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)( PCR) 和毛細(xì)管電泳( CE) 分離的微流體芯片分析儀控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用32 位嵌入式微控制器ARM 實(shí)現(xiàn)PCR 擴(kuò)增所需的3 條恒溫區(qū)的閉環(huán)溫度控制和毛細(xì)管電泳分離功能所需的高壓電場(chǎng)自動(dòng)控制。由于對(duì)恒溫區(qū)溫度的精確控制是影響PCR 反應(yīng)的關(guān)鍵因素, 因此溫度控制系統(tǒng)采 復(fù)雜結(jié)構(gòu)微流體芯片中的瞬態(tài)流型研究在低質(zhì)量流速和高熱流密度下，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)微流體芯片中的流動(dòng)沸騰進(jìn)行了瞬態(tài)流型研究，發(fā)現(xiàn)了毫秒級(jí)微時(shí)間尺度的周期性流型和微通道中的分層流。在單個(gè)微通道區(qū)域，液膜沿流動(dòng)方向逐漸增厚且蒸干總是首先發(fā)生在其上游區(qū)域，而在不同微通道區(qū)域間，下游微通道首先蒸干。分析表明，液相弗勞德數(shù)(Froude number)較低是微通道中分層流 微流體芯片在乙型肝炎病毒基因型檢測(cè)中的應(yīng)用目的: 探討微流體芯片檢測(cè)乙型肝炎病毒基因型的價(jià)值。方法: 應(yīng)用微流體芯片及基因測(cè)序技術(shù)檢測(cè)41例慢性乙型肝炎患者感染的乙型肝炎病毒基因型; 比較兩種方法檢測(cè)結(jié)果的一致性。結(jié)果: 41例HBV患者中B基因型21例( 5112% ) , C 基因型20例( 4818% ), 未檢測(cè)到B + C混合基因型感染。微流體芯片檢微流體芯片技術(shù)在ABO血型基因分型中的應(yīng)用本研究建立一種簡(jiǎn)單、可靠的ABO 基因檢測(cè)結(jié)果報(bào)告評(píng)估方法。利用微流