一文了解微流控芯片技術(shù)的發(fā)展和未來

從1990年Manz等人首次提出了微型全分析系統(tǒng)的概念，到2003年Forbes雜志將微流控技術(shù)評為影響人類未來15件最重要的發(fā)明之一，微流控技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其中的微流控芯片技術(shù)作為當(dāng)前分析科學(xué)的重要發(fā)展前沿，在生物、化學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域都發(fā)揮著巨大的作用，成為科學(xué)家手中流動的“芯”。

微流控芯片技術(shù)

微流控，是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。通過在微尺度下流體的控制，在20世紀(jì)80年代，微流控技術(shù)開始興起，并在DNA芯片，芯片實驗室，微進(jìn)樣技術(shù)，微熱力學(xué)技術(shù)等方向得到了發(fā)展。

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），它是微流控技術(shù)（Microfluidics）實現(xiàn)的主要平臺，可以把生物、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，自動完成分析全過程。有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少，且反應(yīng)速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優(yōu)點的微流控芯片，在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著的巨大潛力，近年來已經(jīng)發(fā)展成為一個生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

微流控芯片的原理

微流控芯片采用類似半導(dǎo)體的微機電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實驗與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上，加載生物樣品和反應(yīng)液后，采用微機械泵。電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導(dǎo)熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測手段已經(jīng)被用在微流控芯片中，對樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和高通量分析。微流控芯片的最大特點是在一個芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復(fù)合體系的微全分析系統(tǒng)？微型反應(yīng)器是芯片實驗室中常用的用于生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如毛細(xì)管電泳、聚合酶鏈反應(yīng)、酶反應(yīng)和DNA 雜交反應(yīng)的微型反應(yīng)器等 。其中電壓驅(qū)動的毛細(xì)管電泳（Capillary Electrophoresis ， CE） 比較容易在微流控芯片上實現(xiàn)，因而成為其中發(fā)展最快的技術(shù)。它是在芯片上蝕刻毛細(xì)管通道，在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動，完成對樣品的檢測分析，如果在芯片上構(gòu)建毛細(xì)管陣列，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對數(shù)百種樣品的平行分析。自1992 年微流控芯片CE 首次報道以來，進(jìn)展很快？首臺商品儀器是微流控芯片CE （ 生化分析儀，Aglient） ，可提供用于核酸及蛋白質(zhì)分析的微流控芯片產(chǎn)品。

微流控芯片的發(fā)展

微全分析系統(tǒng)的概念是在1990年首次由瑞士Ciba2Geigy公司的Manz與Widmer提出的，當(dāng)時主要強調(diào)了分析系統(tǒng)的“微”與“全”，及微管道網(wǎng)絡(luò)的MEMS加工方法，而并未明確其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上實現(xiàn)了毛細(xì)管電泳與流動。微型全分析系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展前沿。微流控分析系統(tǒng)從以毛細(xì)管電泳分離為核心分析技術(shù)發(fā)展到液液萃取、過濾、無膜擴(kuò)散等多種分離手段。其中多相層流分離微流控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，有多種分離功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。已有多篇文獻(xiàn)報道采用多相層流技術(shù)實現(xiàn)芯片上對試樣的無膜過濾、無膜滲析和萃取分離。同時也有采用微加工有膜微滲析器完成質(zhì)譜分析前試樣前處理操作的報道。流控分析系統(tǒng)從以電滲流為主要液流驅(qū)動手段發(fā)展到流體動力、氣壓、重力、離心力、剪切力等多種手段。

直至今日，各國科學(xué)家在這一領(lǐng)域做出更加顯著地成績。微流控技術(shù)作為當(dāng)前分析科學(xué)的重要發(fā)展前沿，在研究與應(yīng)用方面都取得了飛速的發(fā)展。

微流控芯片的特點

芯片集成的單元部件越來越多，且集成的規(guī)模也歸來越大，使著微流控芯片有著強大的集成性。同時可以 大量平行處理樣品，具有高通量的特點，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析樣品所需要的試劑量僅幾微升至幾十個微升，被分析的物質(zhì)的體積甚至在納升級或皮升級。

廉價，安全，因此，微流控分析系統(tǒng)在微型化。集成化合便攜化方面的優(yōu)勢為其在生物醫(yī)學(xué)研究、藥物合成篩選、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、衛(wèi)生檢疫、司法鑒定、生物試劑的檢測等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極為廣闊的前景。

微流控芯片的前景

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(jìn)展，微流控芯片也得到了迅速發(fā)展，但還是遠(yuǎn)不及“摩爾定律”所預(yù)測的半導(dǎo)體發(fā)展速度。

原則上，微流控芯片可以用于各個分析領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等其他重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物分析是熱點。目前其應(yīng)用主要集中在核酸分離和定量、DNA 測序、基因突變和基因差異表達(dá)分析等。另外，蛋白質(zhì)的篩分在微流控芯片中也已有報道針對病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態(tài)型？基因變異的位點及特征等，設(shè)計和選擇合適的核酸探針，經(jīng)PCR 擴(kuò)增后檢測，就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗藥、致病、同源性、多態(tài)型、變異和表達(dá)等信息，為疾病的診斷和治療提供一個很好的切入點。

國際上公認(rèn)的PCR 產(chǎn)物檢測共有五種方法，按其靈敏度高低順序排列為：毛細(xì)管電泳法、固相雜交法、液相雜交法、高壓液相雜交法和凝膠電泳法（不推薦臨床） 。微流控芯片CE 以毛細(xì)管電泳為該芯片主體，無需進(jìn)行探針雜交，受檢樣品的信號獲得率接近百分之百。微流控芯片CE 可檢測15~7500bp范圍的PCR 產(chǎn)物，分辨率可達(dá)20bp ，樣品微量化使擴(kuò)散進(jìn)一步減少，分離效果極好，每孔可供多個不同的PCR 產(chǎn)物作同時分析。