微流控芯片進展

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、微納米加工技術(shù)和微電子學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"所預測的半導體發(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(University of Notre Dame)的Hsueh-Chia Chang博士與微生物學家和免疫檢測專家合作研究，提高了微流控分析設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，但是使用時容易產(chǎn)生氣泡并引起物質(zhì)在電極發(fā)生化學反應的缺點限制了直流電的應用，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雜性水平的應用。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)過復雜的集成卻有較高使用價值的應用，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(PCR)。由于具有高度重復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，得到了廣泛應用。Caliper的商業(yè)模式是將芯片看作是與昂貴的電子學和光學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，而高通量的應用成本是幾百到幾千美元，但預計可以重復循環(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見，噴墨打印是目前為止微流控技術(shù)應用最多的產(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，一直都在應用非機械的流體驅(qū)動設備。剛剛興起的技術(shù)有斯坦福大學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、可預先設計、易更換溶液。可應用的范圍包括開發(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", 同時他還設想將這種探測器應用于細胞生物學和新藥開發(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備中，可以濃縮樣品，易于檢測。生物學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博士所領導的研究小組的研究領域包括微電動機械系統(tǒng)、光學和微流體學，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，當今生命科學領域的微流體與20年前工業(yè)領域的半導體具有相似之處。計算機芯片的開發(fā)者最終解決了集成、設計和增加復雜性等問題，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)、微定位和計量學等方法?？蓱糜谛酒妶龅奈⑿碗娢挥?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)測試和假設分析實驗變得更簡單，測試一個新設計只要交換芯片即可。當前，L-Series設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備。Cascade 有兩個測試用戶:馬里蘭大學Don DeVoe教授的微流體實驗室和加州大學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備(圖4)。該設備提供了一個由微反應板裝配平臺、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)微流體和微光學設備和部件并提供相應的服務。將微流控技術(shù)應用于光學檢測已經(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，雖然原型設計價格高且有風險，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。

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)生物學尤其系統(tǒng)遺傳學的極為重要的技術(shù)基礎。

包括:白金電阻芯片, 壓力傳感芯片, 電化學傳感芯片, 微/納米反應器芯片, 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)展的熱點領域。微流控芯片分析以芯片為操作平臺, 同時以分析化學為基礎,以微機電加工技術(shù)為依托,以微管道網(wǎng)絡為結(jié)構(gòu)特征,以生命科學為目前主要應用對象，是當前微全分析系統(tǒng)領域發(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、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)樣品的預處理及分析全過程。

④其產(chǎn)生的應用目的是實現(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)展的重點應用領域是生命科學領域

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)展依賴于多學科交叉的發(fā)展。

序

第l章 緒論

1.1 基本概念

1.2 相關(guān)稱謂

1.2.1 微全分析系統(tǒng)

1.2.2 生物芯片

1.2.3 微陣列芯片

1.3 發(fā)展簡史

1.4 微流控芯片的基本特征

1.5 微尺度下流體的基本特征

1.5.1 層流

1.5.2 傳質(zhì)

1.5.3 電滲

1.5.4 傳熱

1.5.5 相變

1.6 應用領域

1.6.1 化學

1.6.2 生物學和醫(yī)學

1.6.3 光學

1.6.4 信息學

參考文獻

第2章 芯片材料與芯片制作技術(shù)

2.1 常用微流控芯片材料與性能

2.2 芯片制作環(huán)境

2.3 硅、玻璃和石英芯片的制作

2.3.1 薄膜材料和沉積技術(shù)

2.3.2 光刻掩膜的制作方法

2.3.3 光刻的一般步驟

2.3.4 腐蝕方法及特性

2.3.5 去膠方法

2.4 硅、玻璃和石英芯片的打孔方法

2.5 硅、玻璃和石英芯片的封接流程

2.6 硅、玻璃和石英芯片的評估方法

2.7 高分子聚合物芯片的制作

2.7.1 熱壓法制作流程

2.7.2 模塑法制作流程

2.7.3 注塑法制作流程

2.7.4 LIGA技術(shù)制作流程

2.7.5 激光燒蝕法制作流程

2.7.6 軟光刻法制作流程

2.8 高分子聚合物芯片的打孔方法

2.9 高分子聚合物芯片的封接流程

2.10 高分子聚合物芯片評估方法

參考文獻

第3章 表面改性技術(shù)

3.1 表面改性技術(shù)概述

3.2 玻璃和石英芯片的表面改性

3.2.1 動態(tài)改性

3.2.2 硅烷化反應

3.3 熱塑性聚合物芯片的表面改性

3.3.1 本體摻雜

3.3.2 動態(tài)改性

3.3.3 聚合誘導接枝

3.4 固化型聚合物芯片的表面改性

3.4.1 本體摻雜

3.4.2 共價偶聯(lián)

3.4.3 聚合誘導接枝

3.4.4 吸附一交聯(lián)

3.5 表面改性的表征技術(shù)

參考文獻

第4章 微流體驅(qū)動與控制技術(shù)

4.1 微流體驅(qū)動

4.2 機械驅(qū)動

4.2.1 氣動微泵驅(qū)動

4.2.2 離心力驅(qū)動

4.2.3 壓電微泵驅(qū)動

4.3 非機械驅(qū)動

4.3.1 電滲驅(qū)動

4.3.2 熱氣微泵驅(qū)動

4.3.3 光學捕獲微泵驅(qū)動

4.4 微流體控制

4.5 電滲控制

4.6 微閥控制

4.6.1 無源閥控制

4.6.2 有源閥控制

4.7 程序編制

參考文獻

第5章 進樣和樣品預處理技術(shù)

5.1 液態(tài)樣品進樣

5.1.1 區(qū)帶樣品進樣

5.1.2 液滴樣品進樣

5.1.3 連續(xù)樣品進樣

5.2 氣/固態(tài)樣品進樣

5.3 芯片實驗室各種進樣方式一覽

5.4 萃取

5.4.1 固相萃取

5.4.2 液液萃取

5.5 過濾

5.6 膜分離

5.6.1 膜過濾

5.6.2 滲析

5.7 等速電泳

5.8 場放大堆積

5.9 芯片實驗室各種預處理手段一覽

參考文獻

第6章 微混合和微反應技術(shù)

6.1 微混合

6.2 微混合器

6.3 被動式微混合器

6.3.1 并行疊片微混合器

6.3.2 串聯(lián)疊片微混合器

6.3.3 混沌對流微混合器

6.3.4 液滴微混合器

6.4 主動式微混合器

6.4.1 磁力攪拌型微混合器

6.4.2 聲場促進型微混合器

6.4.3 電場促進型微混合器

6.5 微反應和微反應器

6.6 微反應器分類

6.7 微化學反應器

6.7.1 按相分類

6.7.2 按樣品衍生與分離的相對順序分類

6.7.3 特殊微化學反應器示例

6.7.4 高通量微反應器示例

6.8 微型生物反應器

6.9 聚合酶鏈反應

6.9.1 PCR芯片的制作

6.9.2 芯片.PCR反應分類

6.9.3 芯片PCR集成

6.10 免疫反應

6.10.1 免疫反應的分類

6.10.2 均相免疫反應

6.10.3 非均相免疫反應

參考文獻

第7章 微分離技術(shù)

7.1 概述

7.2 電泳分離的基本問題

7.2.1 電泳的譜帶遷移

7.2.2 電泳的譜帶展寬

7.3 芯片電泳分離常見模式

7.3.1 一維芯片電泳

7.3.2 多維芯片電泳

作者課題組在這一領域的長期積累和已完成的工作作為基本內(nèi)容和具體案例貫穿全書。

《圖解微流控芯片實驗室》可供生命科學、化學及微機電加工(MEMs)等領域的科研、技術(shù)人員以及教師參考，也可作為高等院校、科研院所相關(guān)專業(yè)大學生和研究生的輔助教材。此外，還可供政府相關(guān)部門的管理人員閱讀參考。

除了有機合成、微反應器和化學分析等，微流控技術(shù)在生物醫(yī)學領域發(fā)揮了越來越重要的作用。目前，兩個重要的應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)生物學研究不可或缺的重要步驟。