微流控技术

   微流控芯片始发于20世纪90年代，在分析化学领域首先发展开来，至今已经有二十余年的发展历史。其间经历了基础理论奠定、单元操作技术发展、小规模集成和大规模集成几个历史发展阶段。2003年，《福布斯》杂志把这项技术评为“影响人类未来15件最重要发明之一”；2004年，美国《Business 2.0》杂志封面文章将微流控芯片列为“改变世界”的七种技术之一；2006年，《Nature》杂志出版了一期微流控专辑，题名为“本世纪的技术”。如今，微流控技术已在多个领域得到了认可并广为利用，尤其成为了POCT精准有效的主流技术。

   早在本世纪第一个十年，很多实验室就已经开展了基于微流控芯片的POCT研究，工作大多集中于以核酸分析为代表的分子诊断，以蛋白质分析为代表的免疫诊断和以代谢物分析为代表的生化诊断。近年来，基于微流控芯片的POCT研究开始挑战体量极小、预处理复杂的样本，并把研究对象从分子拓展到细胞，进而仿生人器官的各种感觉，如嗅觉、视觉、味觉等。

微流控技术（microfluidics）是指以生物化学和分析化学为基础，以微全分析系统（μTAS）中的微机电加工技术（MEMS）为依托，以微管道网络为结构特征，将整个实验室的分析功能，包括采样、样品前处理、分析、分离、监测等集成在一块几平方厘米的芯片上进行分析的技术。

鉴于芯片是实现微流体控制的主要平台，因而微流控芯片（microfluidic chip）是微流控的主要研究内容。微流控芯片最初在美国被称为“芯片实验室”（lab-on-a-chip），在欧洲被称为“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems）。

1、微流控芯片的加工方法及常用材料

最早的微流控芯片是由硅和玻璃制造而成的，但这些材料价格和制造成本太高。随着材料科学的发展，新型低耗的，能大规模制造的高聚合材料逐渐替代了硅和玻璃，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对二甲苯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、环烯烃共聚物（COC）、环烯烃聚合物（COP）和聚氨酯（PU）等。这类聚合物在POCT装置应用中的使用率高达70%。在构建微流控芯片的过程中，光蚀刻技术和拓印技术为主要使用的精密加工技术。光蚀刻技术（图1）是在光敏材料上用光去制造决定不同的模型图案，其中光的波长，光学组件的类型，材料的特性如数值孔径、光致抗蚀剂的极性等因素共同决定微流控芯片的分辨率。另外，感光材料本身也可以作为制造微流控芯片的一种材料，贴合到其他一些材料上与之联用。拓印制造技术是利用光蚀刻技术或者传统的工业制造技术先制造一个主模，再使用这个主模在另外一种硬度较低的材料上去拓印并批量制造微流控芯片。

图1  光刻技术的紧密加工流程

（a） 多波长曝光；（b） 层压；（c） 保护层

此外，芯片加工方法还有软光刻方法、热压花方法、注射模塑法等，其基本原理都是基于前两种方法。

2、微流控技术中的表面涂层技术

随着医学领域应用微流控技术和设备来定性、定量测定生物分子，市场要求微流控技术必须防止生物分子的非特异性吸附，从而在监测的过程中提供一个稳定和不可变环境；对于细胞分析，微流体环境必须适宜于这些细胞的保存吸附；另外，在一些特定的实验中，还得考虑芯片的温度兼容性、溶剂的兼容性等一系列因素。因此，芯片表面特定的生物分子的固定即表面涂层技术在微流控技术应用中起着至关重要的作用。随着微流控芯片的材料变化，表面涂层采用的技术也会发生相应的变化，目前应用最多的两种方式是共价固定（图2）和吸附涂层（图3）。共价固定需要特定的活化的表面，然后连接上双官能团的分子链接器，采用夹心的方法结合上生物分子中的特定功能化基团。相较于共价结合而言，吸附涂层方法简单，在科研工作中应用最广。通常而言，促进涂层吸附的交互作用力由静电力、范德华力和疏水力三者相互作用而形成，形成的吸附涂层的作用方式类似于共价吸附，在大多数情况下能够有效抑制非特异性吸附。另外，吸附涂层上的功能化基团还可以用于进一步的特异性生物分子的固定。

图2  共价吸附策略

X. 衬底表面的活性功能团，Z. 涂层剂的反应活性基团

图3  吸附的示意图
 

3、微流控芯片通道中液体的流动状态与控制

微流控芯片的通道极其细微，大大增加了液体在中间流动时的阻力，并极容易产生涡流。在这种情况下，选择有效的驱动方式是非常重要的。目前应用最多的是注射泵、气泵、微流泵等压力驱动方式，或者可以使用如电渗流、电泳、介电流体等电驱动方式。对于涡流的处理，多采用在局部关键点安装搅拌部件，再采用外部的电场、磁场等控制涡流的产生。