微流控技術(shù)

流體在微流控的微通道中的行為與其在宏觀尺度通道中不同，這些流體行為(現(xiàn)象)不僅是微流控的重要特征和標志，還是方便、獨特的技術(shù)手段。主要的流體現(xiàn)象有層流和液滴。

層流與湍流相對應(yīng)，是指流體的層狀流動，其流線與管壁相互平行。在粘性力遠遠大于慣性力，或雷諾數(shù)(Reynold number)小于3000時，層流就會出現(xiàn)。當幾相不同顏色的流體從不同的入口進入同一個微通道時，即使它們互溶，也會形成層次分明的多相平行流動。利用層流的這種幾何規(guī)律性，可以實現(xiàn)材料、化學(xué)環(huán)境和細胞在微通道中的有序排布。另外，在層流情況下，湍流基本消失，分子擴散將成為微尺度下傳質(zhì)的主要途徑。由于擴散速率與分子自身的特性有關(guān)，利用分子在微通道中的不同擴散距離可以將不同的分子進行分離。也因為如此，層流下的液體混合過程相對緩慢，但是，通過在微流控微通道中制作特殊結(jié)構(gòu)，如不對稱魚骨狀的突起，可以加快傳質(zhì)過程和液體混合。

當兩相不互溶的液體(油和水)在微流控通道中流動時，在液/液界面張力和剪切力的作用下，其中一相流體會形成高度均一的間斷流，即液滴。在乳液制備的方法中，如果說基于攪拌的方法是自上而下的，那么微流控則是自下而上的方法。微流控能夠以非常高的通量制備高度單分散性的液滴乳液。常見的微通道結(jié)構(gòu)為T型和ψ型。在某些情況下，含有不同高分子聚合物的水相液體在微流控通道中也會形成不互溶的液滴。

除了有機合成、微反應(yīng)器和化學(xué)分析等，微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。目前，兩個重要的應(yīng)用方向是臨床診斷儀器和體外仿生模型。

微流控檢測芯片一般具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點，因此特別適合發(fā)展床邊(POC)診斷，具有簡化診斷流程、提高醫(yī)療結(jié)果的巨大潛力。

利用仿生微結(jié)構(gòu)和水凝膠等生物材料，微流控芯片非常適合在體外實現(xiàn)組織和器官水平的生理功能，被稱為"器官芯片"(Organs-on-Chips)。這樣可以彌補傳統(tǒng)兩維細胞培養(yǎng)和動物實驗的不足，可以動態(tài)操控和實時觀察重要的生理病理過程，提高疾病的研究水平和藥物的研發(fā)效率。目前已經(jīng)針對肺、腸、心、腎和骨髓等器官的重要特征建立了相應(yīng)的微流控體外仿生芯片。在組織和器官水平研究單個基因或信號通路的功能已經(jīng)成為系統(tǒng)生物學(xué)研究不可或缺的重要步驟。

微流控(Microfluidics)指的是使用微管道 ?(尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米)處理或操縱微小流體(體積為納升到阿升)的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。因為具有微型化、集成化等特征，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室(Lab on a Chip)和微全分析系統(tǒng)(micro-Total Analytical System)。微流控的早期概念可以追溯到19世紀70年代采用光刻技術(shù)在硅片上制作的氣相色譜儀，而后又發(fā)展為微流控毛細管電泳儀和微反應(yīng)器等。微流控的重要特征之一是微尺度環(huán)境下具有獨特的流體性質(zhì)，如層流和液滴等。借助這些獨特的流體現(xiàn)象，微流控可以實現(xiàn)一系列常規(guī)方法所難以完成的微加工和微操作。目前，微流控被認為在生物醫(yī)學(xué)研究中具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。

制作微流控芯片的主要材料有硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和紙基等。其中PDMS的使用范圍最為廣泛。這種材料不僅加工簡單、光學(xué)透明，而且具有一定的彈性，可以制作功能性的部件，如微閥和微蠕動泵等。PDMS微閥的密度可以達到30個/cm。但是PDMS材料容易吸附疏水性小分子，導(dǎo)致背景升高和檢測偏差。為了克服非特異性吸附的問題，表面惰性且抗黏附的聚四氟乙烯材料開始被用于制作微流控芯片。紙基通常指的具有三維交錯纖維結(jié)構(gòu)的薄層材料，但是硝酸纖維素膜一般也常用于紙基微流控芯片的制作。因為紙基具有價格便宜、比表面積大和親水毛細作用力等特點，通過結(jié)合疏水性圖案化和縱向堆積等步驟，具有多元檢測和多步操作集成等優(yōu)點，非常適合制作便攜易用的微流控芯片。

不同的材料特性決定了不同的微加工方法。但是微流控芯片最主要的加工方法是來自于微電子行業(yè)的光刻技術(shù)和來自于表面圖案化的軟光刻技術(shù)。在上述兩種技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了制作完整的微流控微通道，一般還需要對兩片材料進行鍵合。玻璃和硅片等材料通過高溫、高壓或高電壓等方法鍵合，而PDMS材料通過氧等離子處理進行鍵合。

微流控分析芯片最初只是作為納米技術(shù)革命的一個補充，在經(jīng)歷了大肆宣傳及冷落的不同時期后，最終卻實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。微流控分析芯片最初在美國被稱為"芯片實驗室"(lab-on-a-chip)，在歐洲被稱為"微整合分析芯片"(micrototal analytical systems)，隨著材料科學(xué)、微納米加工技術(shù)和微電子學(xué)所取得的突破性進展，微流控芯片也得到了迅速發(fā)展，但還是遠不及"摩爾定律"所預(yù)測的半導(dǎo)體發(fā)展速度。今天阻礙微流控技術(shù)發(fā)展的瓶頸仍然是早期限制其發(fā)展的制造加工和應(yīng)用方面的問題。芯片與任何遠程的東西交互存在一定問題，更不用說將具有全功能樣品前處理、檢測和微流控技術(shù)都集成在同一基質(zhì)中。由于微流控技術(shù)的微小通道及其所需部件，在設(shè)計時所遇到的噴射問題，與大尺度的液相色譜相比，更加困難。上世紀80年代末至90年代末，尤其是在研究芯片襯底的材料科學(xué)和微通道的流體移動技術(shù)得到發(fā)展后，微流控技術(shù)也取得了較大的進步。為適應(yīng)時代的需求，現(xiàn)今的研究集中在集成方面，特別是生物傳感器的研究，開發(fā)制造具有超強運行能力的多功能芯片。 美國圣母大學(xué)(University of Notre Dame)的Hsueh-Chia Chang博士與微生物學(xué)家和免疫檢測專家合作研究，提高了微流控分析設(shè)備檢測細胞和生物分子的速度和靈敏性。同時，Chang對交流電動電學(xué)進行了改善，因為他認為交流電(AC)可作為選擇平臺，驅(qū)動流體通過用于醫(yī)學(xué)和研究的微流控分析儀。微流控分析儀最初的驅(qū)動機制是常規(guī)的直流電動電學(xué)，但是使用時容易產(chǎn)生氣泡并引起物質(zhì)在電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的缺點限制了直流電的應(yīng)用，此外，為保證其對流量的精確控制，直流電極必須放置在儲液池中，不能直接連接在電路中。

三個因素美國Caliper Life Sciences公司Andrea Chow博士認為，微流控技術(shù)的成功取決于聯(lián)合、技術(shù)和應(yīng)用，這三個因素是相關(guān)的。他說:"為形成聯(lián)合，我們嘗試了所有可能達到一定復(fù)雜性水平的應(yīng)用。從長遠且嚴密的角度來對其進行改進,我們發(fā)現(xiàn)了很多無需經(jīng)過復(fù)雜的集成卻有較高使用價值的應(yīng)用，如機械閥和微電動機械系統(tǒng)(MEMS)。"改進的微流控技術(shù)，一般用于蛋白或基因電泳，常?？扇〈郾０纺z電泳。進一步開發(fā)的芯片可用于酶和細胞的檢測，在開發(fā)新藥方面很有用。更進一步的產(chǎn)品是可集成樣品前處理的基因鑒定，例如基于芯片的鏈式聚合反應(yīng)(PCR)。由于具有高度重復(fù)和低消耗樣品或試劑的特性，這種自動化和半自動化的微流控芯片在早期的藥物研發(fā)中，得到了廣泛應(yīng)用。Caliper的商業(yè)模式是將芯片看作是與昂貴的電子學(xué)和光學(xué)儀器相連接的一個消費品，目前，已被許多公司獨立的采用。每個芯片完成一天的實驗運作的成本費用大概是5美元，而高通量的應(yīng)用成本是幾百到幾千美元，但預(yù)計可以重復(fù)循環(huán)使用幾百或幾千次，以一次分析包括時間和試劑的成本計算在內(nèi)，芯片的成本與一般實驗室分析成本相當。此外，特定設(shè)計芯片的批量生產(chǎn)也大大降低了其成本。Caliper的旗艦產(chǎn)品是LabChip 3000新藥研發(fā)系統(tǒng)，其微流體成分分析可以達到10萬個樣品，還有用于高通量基因和蛋白分析的LabChip 90 電泳系統(tǒng)。據(jù)Caliper宣稱，75 %的主要制藥和生物技術(shù)公司都在使用LabChip 3000系統(tǒng)。美國加州的安捷倫科技公司曾與Caliper科技公司簽署正式合作協(xié)議，該項合作于1998年開始，去年結(jié)束。安捷倫作為一個儀器生產(chǎn)商的實力，結(jié)合其在噴墨墨盒的經(jīng)驗，在微流控技術(shù)尚未成熟時，就對微流體市場做出了獨特的預(yù)見，噴墨打印是目前為止微流控技術(shù)應(yīng)用最多的產(chǎn)品，每年的使用價值100億美元。安捷倫已有一些儀器使用趨向于具有更多可用性方面的經(jīng)驗，并將這些經(jīng)驗應(yīng)用到了微流體技術(shù)開發(fā)上。微流體和生物傳感器的項目經(jīng)理Kevin Killeen博士在接受采訪時說，安捷倫的目標是為終端使用者解除負擔，"由適宜的儀器產(chǎn)品組裝成的系統(tǒng)可以讓非專業(yè)人士操縱專業(yè)設(shè)備"。微流體技術(shù)也需要適時表現(xiàn)出其自身的實用性和可靠性，例如，納米級電噴霧質(zhì)譜分析(nano-electrospray MS)不必考慮其頂端的閉合及邊帶的加寬，Killeen補充道:"對于生物學(xué)家來說，微流控技術(shù)的價值就在于此。" 安捷倫在微流控技術(shù)平臺上的三個主要產(chǎn)品是Agilent 2100 Bioanalyzer/5100 Automated Lab-on-a-Chip (已于2004年11月推出)和HPLC-Chip(已于2005年3月推出)。鑒定蛋白的HPLC-Chip集成了樣品富集和分離，同時還將設(shè)備裝置減少至LC/MS系統(tǒng)的一半。安捷倫的資料顯示，這些特征減少了泄漏和死體積，這種芯片在實驗控制時采用了無線電頻率標識技術(shù)。 推動力目前，一直都未能解決的仍然是驅(qū)動力問題，以及如何控制流體通過微毛細管。研究者認為，從某種程度上來說，微致動器(micro-actuators)可以為微流控技術(shù)提供動力和調(diào)節(jié)，但是這一設(shè)想并沒有成功。Chia Chang博士認為，現(xiàn)在還不可能實現(xiàn)利用微電動機械系統(tǒng)(MEMS)作為微流體驅(qū)動力，因為"還沒有設(shè)計出這樣的微電動機械系統(tǒng)"。至少到目前為止，一直都在應(yīng)用非機械的流體驅(qū)動設(shè)備。剛剛興起的技術(shù)有斯坦福大學(xué)Stephen Quake研究小組開發(fā)的微流體控制因素大規(guī)模地綜合應(yīng)用和瑞士Spinx Technologies開發(fā)的激光控制閥門。澳大利亞墨爾本蒙納士大學(xué)的研究者正在開發(fā)可在微通道內(nèi)吸取、混合和濃縮分析樣品的等離子體偏振方法。等離子體不接觸工作流體便可產(chǎn)生"推力"，具有維持流體穩(wěn)定流動，對電解質(zhì)溶液不敏感也不受其污染的優(yōu)點。瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的David Juncker認為，流體的驅(qū)動沒有必要采用這類高新技術(shù)，利用簡單的毛細管效應(yīng)就可以驅(qū)動流體通過微通道。Juncker博士說,以毛細管作用力驅(qū)動流體具有獨特優(yōu)勢:自包含、可升級、沒有死體積、可預(yù)先設(shè)計、易更換溶液?？蓱?yīng)用的范圍包括開發(fā)藥物的免疫檢測和定點照護診斷檢測。最近，Juncker博士及其同事已經(jīng)開發(fā)出可以梯度檢測大分子蛋白和檢測單個細胞的微流控探測器，Juncker說"這種探測器結(jié)合了掃描和微流控技術(shù)，定義了一類新的實驗空間", 同時他還設(shè)想將這種探測器應(yīng)用于細胞生物學(xué)和新藥開發(fā)上。另外一個與微流控技術(shù)相關(guān)卻一直未能克服的障礙，是"設(shè)備尺寸縮小而存在的效益遞減臨界點問題"系統(tǒng)縮小到微米甚至納米級的尺度范圍，與之結(jié)合的設(shè)備成為一個主要問題。對于微流控芯片，必須將材料從微通道中放入和取出，還要從納升級流量的流體中獲得可靠信號。一些研究者建議將微流控技術(shù)與"中等流體"結(jié)合，--以小型化的方式附加到中等尺寸的設(shè)備中，可以濃縮樣品，易于檢測。生物學(xué)家還受他們所使用微孔板的幾何限制。Caliper和其他的一些公司正在開發(fā)可以將樣品直接從微孔板裝載至芯片的系統(tǒng)，但這種操作很具挑戰(zhàn)性。美國Corning公司Po Ki Yuen博士認為，要說服生產(chǎn)商將生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)移到一個還未證明可以縮減成本的完全不同的平臺，是極其困難的。Yuen博士所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的研究領(lǐng)域包括微電動機械系統(tǒng)、光學(xué)和微流體學(xué)，目前致力于研發(fā)新藥的非標定檢測系統(tǒng)方面的研究。

與芯片之間的比較美國Cascade Microtech公司的Cali Sartor認為，當今生命科學(xué)領(lǐng)域的微流體與20年前工業(yè)領(lǐng)域的半導(dǎo)體具有相似之處。計算機芯片的開發(fā)者最終解決了集成、設(shè)計和增加復(fù)雜性等問題，而微流體技術(shù)的開發(fā)者也正在從各方面克服微流控技術(shù)所遇到的此類問題。Cascade的市場在于開發(fā)半導(dǎo)體制造業(yè)的最初檢驗和分析系統(tǒng)，現(xiàn)在希望通過具微流控特征和建模平臺的L-Series實現(xiàn)市場轉(zhuǎn)型。L-Series包括嚴格的機械平臺，集成了顯微鏡技術(shù)、微定位和計量學(xué)等方法?？蓱?yīng)用于芯片電場的微型電位計(Microport)也作為其開發(fā)的副產(chǎn)品。L-Series致力于真正的解決微流控設(shè)備開發(fā)者所遇到的難題:必須獨立構(gòu)造芯片系統(tǒng)和提供實用程序，Sartor說:"若是將襯質(zhì)和芯片粘合在一起，需要經(jīng)過長期的多次測試，"設(shè)計者若想改變流體通道，必須從頭開始。L-Series檢測組使內(nèi)聯(lián)測試和假設(shè)分析實驗變得更簡單，測試一個新設(shè)計只要交換芯片即可。當前，L-Series設(shè)備只能在手動模式下運行，一次一個芯片，但是Cascade 正在考慮開發(fā)可平行操作多個芯片的設(shè)備。Cascade 有兩個測試用戶:馬里蘭大學(xué)Don DeVoe教授的微流體實驗室和加州大學(xué)Carl Meinhart教授的微流體實驗室。德國thinXXS公司開發(fā)了另一套微流控分析設(shè)備(圖4)。該設(shè)備提供了一個由微反應(yīng)板裝配平臺、模塊載片以及連接器和管道所組成的結(jié)構(gòu)工具包?？蓡为氋徺I模塊載片。 ThinXXS還制造專用芯片，生產(chǎn)微流體和微光學(xué)設(shè)備和部件并提供相應(yīng)的服務(wù)。將微流控技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)檢測已經(jīng)計劃很多年了，thinXXS一直都在進行這方面的綜合研究，但未提供詳細資料。ThinXXS公司Thomas Stange博士認為，雖然原型設(shè)計價格高且有風(fēng)險，微制造技術(shù)已不再是微流控產(chǎn)品商業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙。對于他們公司所操縱的高價藥品測試和診斷市場，校準和工藝慣性才是最主要的障礙。ThinXXS于6月推出了一款新的微芯片產(chǎn)品QPlate，同時宣稱該產(chǎn)品首次結(jié)合了硅微處理、微鑄技術(shù)以及印制電路板技術(shù)。QPlate是與丹麥Sophion Bioscience公司合作開發(fā)的，是QPatch-16 system的組成部分，QPatch-16 system可平行的測量16個細胞離子通道。

包括:白金電阻芯片, 壓力傳感芯片, 電化學(xué)傳感芯片, 微/納米反應(yīng)器芯片, 微流體燃料電池芯片, 微/納米流體過濾芯片等。

①微流控芯片(microfluidic chip)是當前微全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total Analysis Systems)發(fā)展的熱點領(lǐng)域。微流控芯片分析以芯片為操作平臺, 同時以分析化學(xué)為基礎(chǔ),以微機電加工技術(shù)為依托,以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征,以生命科學(xué)為目前主要應(yīng)用對象，是當前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點。它的目標是把整個化驗室的功能,包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等集成在微芯片上,且可以多次使用。

②微流控芯片是微流控技術(shù)實現(xiàn)的主要平臺。其裝置特征主要是其容納流體的有效結(jié)構(gòu)(通道、反應(yīng)室和其它某些功能部件)至少在一個緯度上為微米級尺度。由于微米級的結(jié)構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能。因此發(fā)展出獨特的分析產(chǎn)生的性能。

③微流控芯片的特點及發(fā)展優(yōu)勢:微流控芯片具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十倍上百倍地提高等特點,它可以在幾分鐘甚至更短的時間內(nèi)進行上百個樣品的同時分析,并且可以在線實現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程。

④其產(chǎn)生的應(yīng)用目的是實現(xiàn)微全分析系統(tǒng)的終極目標-芯片實驗室

⑤目前工作發(fā)展的重點應(yīng)用領(lǐng)域是生命科學(xué)領(lǐng)域

⑥當前(2006)國際研究現(xiàn)狀:創(chuàng)新多集中于分離、檢測體系方面;對芯片上如何引入實際樣品分析的諸多問題，如樣品引入、換樣、前處理等有關(guān)研究還十分薄弱。它的發(fā)展依賴于多學(xué)科交叉的發(fā)展。

目前媒體普遍認為的生物芯片(micro-arrays)，如，基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等只是微流量為零的點陣列型雜交芯片，功能非常有限，屬于微流控芯片(micro-chip)的特殊類型，微流控芯片具有更廣泛的類型、功能與用途，可以開發(fā)出生物計算機、基因與蛋白質(zhì)測序、質(zhì)譜和色譜等分析系統(tǒng)，成為系統(tǒng)生物學(xué)尤其系統(tǒng)遺傳學(xué)的極為重要的技術(shù)基礎(chǔ)。