微流控芯片
發(fā)布時(shí)間：2011-11-11
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來源：我愛方案網(wǎng)
作者：michelleli
什么是微流控芯片？
微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)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(dòng)完成分析全過程。
微流控芯片分析以芯片為操作平臺(tái)，同時(shí)以分析化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機(jī)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，它的目標(biāo)是把整個(gè)化驗(yàn)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。
微流控芯片是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)。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(gè)緯度上為微米級(jí)尺度。
微流控芯片的分類
微流控芯片包括：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。
微流控芯片的特點(diǎn)
微流控芯片具有液體流動(dòng)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(diǎn),它可以在幾分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的同時(shí)分析,并且可以在線實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程。
微流控芯片的基本結(jié)構(gòu)
微流控芯片的基本結(jié)構(gòu)是比較簡單的，就是在幾十個(gè)平方厘米的基板上加工出微通道，然后將蓋片和基片鍵合到一起，以形成封閉的微流體通道。根據(jù)芯片上的通道個(gè)數(shù)，可以將其分為單通道和多通道兩類微流控芯片。單通道的微流控芯片，一般有1個(gè)儲(chǔ)液池（包括1個(gè)緩沖溶液池、1個(gè)樣品池和1個(gè)樣品廢液池和1個(gè)廢液池），以及連接各池之間的微溝道。電泳芯片分離微通道的網(wǎng)絡(luò)形狀主要有直線型、螺旋形、多邊形、彎曲形等，其中直線形結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高，適合于較長的分離通道。多通道的微流控芯片也稱為集成毛細(xì)管電泳芯片。多通道的微流控芯片是指在1個(gè)芯片上制出多個(gè)微通道，這樣便可以在同一片芯片上同時(shí)并行處理不同或相同的樣品，從而提高了芯片通量，正逐漸成為微流控芯片的一種發(fā)展趨勢。Woolley等人制備出一種具有12個(gè)通道的電泳芯片，12個(gè)微通道及兩個(gè)用于光學(xué)校準(zhǔn)的溝道分布在50mm×75mm的玻璃芯片上，可在160s內(nèi)并行分析12種不同的樣品。
Shi等人又制作出了一種96通道的微流控芯片，這96個(gè)通道呈輻射狀分布在直徑為10cm的圓形芯片上。這種96通道的芯片則克服了在同一個(gè)分離通道內(nèi)連續(xù)分離兩種不同樣品可能引起彼此污染的局限。它的96個(gè)分離通道分別對應(yīng)于96個(gè)樣品池，而且分離通道無彎曲，各通道寬110μm，深約50μm，提高了通道的深寬比。并且每兩個(gè)樣品池共享一個(gè)陰極池和一個(gè)廢液池，整個(gè)芯片只有一個(gè)公用的陽極池，布置在圓形芯片的中心，使整個(gè)芯片更加緊湊和集成化。
微流控芯片的基體材料
微流控芯片的基體材料，最常用的是晶體硅和玻璃。晶體硅具有散熱好、強(qiáng)度大、價(jià)格適中、純度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但絕緣性和透光性較差，深度刻蝕困難、硅基片的粘合成功率低影響了硅的應(yīng)用。玻璃是現(xiàn)今使用得最多的一種芯片材料，因?yàn)椴Ａв幸欢ǖ膹?qiáng)度、散熱性、透光性和絕緣性大都比較好，很適合通常的樣品分析；但存在深度刻蝕困難，鍵合溫度高且鍵合成品率低等缺點(diǎn)。
塑料價(jià)格便宜、絕緣性好，可施加高電場實(shí)現(xiàn)快速分離，成形容易，批量生產(chǎn)成本低，易獲得高深寬比的微結(jié)構(gòu)，經(jīng)紫外、激光和化學(xué)處理后還可以改變電滲流，具有廣闊的應(yīng)用前景。但塑料的導(dǎo)熱性差，熱封接后微通道容易變形，雖然可以采用粘接方法，但粘接劑易堵塞微通道。硅橡膠（PDMS）具有價(jià)格便宜、絕緣性好、易成形和批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，采用光激發(fā)檢測時(shí)產(chǎn)生的背景熒光比塑料低，已成為另一個(gè)研究熱點(diǎn)。
微流控芯片的加工特點(diǎn)
微流控分析芯片是通過微細(xì)加工技術(shù)將微管道、微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測元件，窗口和連接器等功能元件像集成電路一樣，使它們集成在芯片材料(基片)上的微全分析系統(tǒng)。其加工特點(diǎn)如下：
(1)以微管道為網(wǎng)絡(luò)，將微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測元件等連接在一起，對加入微通道中的流體進(jìn)行控制與分離測定，以完成多種分析功能，如采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等。
(2)微流控分析芯片的面積為幾個(gè)平方厘米。
(3)微管道寬度和深度為微米級(jí)。
(4)芯片材料已從硅片發(fā)展到玻璃，石英，有機(jī)聚合物等，因此也發(fā)展了有機(jī)聚合物材料的加工技術(shù)。在傳統(tǒng)的光刻和蝕刻的基礎(chǔ)上發(fā)展了模塑法，熱壓法，激光燒蝕法，LIGA技術(shù)和軟光刻等新方法。
微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)
(1)微流控芯片具有極高的效率，可在數(shù)秒至數(shù)十秒時(shí)間內(nèi)自動(dòng)完成分離、測定或其他更復(fù)雜的操作。分離和分析速度常高于相對應(yīng)當(dāng)宏觀分析方法一至二個(gè)數(shù)量級(jí)。其高分析或處理速度即來源于微米級(jí)通道中的高導(dǎo)熱和傳質(zhì)速率，也直接來源于結(jié)構(gòu)尺寸的縮小。
(2)微流控分析的試樣與試劑消耗已降低到數(shù)微升水平，并隨著技術(shù)的提高，還可能進(jìn)一步減少。降低了分析費(fèi)用戶貴重生物試樣的消耗，也減少了環(huán)境的污染。
(3)用微加工技術(shù)制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多個(gè)部件與功能可能集成在數(shù)平方厘米的芯片上，在此基礎(chǔ)上易制備功能齊全的便攜式儀器，用于各類現(xiàn)場分析。
(4)微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。當(dāng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)后，芯片成本可望大幅度降低，有利于普及。
微流控芯片的局限性
(1)作為μTAS的主要發(fā)展前沿，當(dāng)前的微流控芯片系統(tǒng)總體上既不夠“微”，分析功能也遠(yuǎn)達(dá)不到“全”。主要原因是集成度不夠高，多數(shù)檢測器的體積過大，實(shí)現(xiàn)集成化還有很長的路要走。
(2)在目前加工條件下微流控分析制作成本還難以滿足有關(guān)成果推廣應(yīng)用的要求。一塊供研究用的標(biāo)準(zhǔn)玻璃芯片價(jià)值100多美元。一塊供分析12個(gè)試樣的一次性專用芯片價(jià)值10美元。
(3)目前報(bào)道的大部分微流控芯片分析系統(tǒng)不包括試樣的前處理功能，即功能不夠全，為了解決實(shí)際試樣的分析，這方面的研究需要在應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用過程中大大加強(qiáng)。
