第五章 生物芯片与微流控技术

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1、第五章生物芯片与微流控技术第四节微流控技术4.1微流控技术及微流控芯片微流控（microfluidics）是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术。在20世纪80年代兴起，是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科[1]。微流控研究的空间特征尺度在微米量级，介于宏观尺度和纳米尺度之间，流体运动显示出二重性：一方面，微米尺度仍然远大于通常意义上分子的平均自由程，因此，对于其中的流体而言，连续介质定理成立，连续性方程可用，电渗和电泳淌度与尺寸无关；另一方面，相对于宏观尺度，微米尺度上的惯性力影响减小，粘性力影响增大，雷诺数变小，层流特点明

2、显，传质过程从以对流为主转为以扩散为主，并且面体比增加，粘性力、表面张力及换热等表面作用增强，边缘效应增大，三维效应不可忽略。微流控芯片（microfluidicchips，又称芯片实验室）是微流控技术实现的主要平台和技术装置,其主要特征是容纳流体的有效结构（通道、反应室和其他某些功能部件）至少在一个维度上为微米级尺度。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度高等特点，可在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的分析，并且可在线实现样品的预处理及分析全过程。芯片实验室的代表性技术就是针对极小量（10-9~10-18L）的流体进行操控的微流控技术。芯片实验室也包

3、括了非流动的静态微型实验系统，通常为微阵列芯片（micro-arrays），如基因芯片、蛋白质芯片等生物芯片。这类芯片可以认为是微流控芯片的特殊类型，其特点是流体的流量通常未被控制，一般通过检测点阵上的不同反应来进行分析。作为一种新兴的科学技术，微流控受到许多从事物理科学、生命科学以及工程科学的研究者的广泛关注。科研市场和医疗的需求，加上微纳米加工技术的日益成熟，催生了微流控芯片技术并加速了它的发展。如在医疗健康、检验检疫、环境监测、劳动保护、司法鉴定等领域，以及微量分子分析、分离分析技术的微型化以及分子生物学研究领域的大通量和低消耗的实验技术的迫切需求，成为微流控芯片技术

4、发展的巨大推动力。20世纪后期迅速发展的微电子工业积累了大量的微流控芯片加工所必需的理论和技术，许多相关设备、仪器和新材料应运而生。近年来，微流控研究发展迅速，技术创新层出不穷，应用领域不断拓宽。微流控芯片技术从概念提出到诞生和发展，都离不开微加工技术。微加工技术的发展与微流控芯片的发展息息相关。首个现代意义上的微流控装置可能是1975年斯坦福大学Terry等[2]发明的。他们利用微加工手段，在一片硅晶片上蚀刻出了微细的管道，用作气相色谱的色谱柱，进行微量气体分离分析的研究。1990年，Manz等人提出微全分析系统（micrototalanalysissystem，μTAS

5、）的概念[3]，微流控芯片进入快速发展时期。新材料应用和发展使得微加工本身的内涵也得到了丰富。1998年，WhitesidesGM提出了软蚀刻技术的概念，从此宣告微流控芯片进入了以弹性聚二甲基硅氧烷为关键材料的时代[4]。随着微流控芯片技术的逐渐展开及微分析技术的需求，芯片构型设计越加丰富，出现了一系列形式各异、具有多种微通道网络结构的芯片构型。如电泳芯片分离通道的网络形状主要有：直线型、螺旋型、弯曲蛇形、多边形、折叠形等。由于生化分析的复杂性和多样性需求，微流控芯片技术的发展趋于组合化和集成化，经常需在一块芯片基片上集成多种功能单元，如化学反应器、生物反应器、过滤装置等以

6、进行多种样品的分析检测，以用于DNA测序和突变点检测，氨基酸、蛋白质、细胞检测和药物筛选等。基于高通量快速分离的需要，多通道阵列并行操作是微流控芯片的发展趋势，芯片通道数量已从最初的12通道、96通道，发展到384通道。4.2微流控芯片的制备微流控芯片通过微细加工技术集成各种不同功能的单元，如微反应池、微泵、微阀、检测单元等。微通道加工技术与以硅材料二维和浅深度加工为主的集成电路芯片不同。微流控芯片微通道的两个重要指标是深宽比和微通道界面形状。深宽比指在基片上形成的微结构的深度特征与宽度特征之比，高深宽比结构加工难度较大。对于直接加工法，形状特征与腐蚀的方向性有关，即各向同

7、性或各向异性会形成不同的几何形貌特征；对于复制加工方法，如热模压和模塑法等，微通道几何形状直接与模板形状及加工工艺有关[5,6]。4.2.1微流控芯片的材料微流控芯片结构设计的首要问题是选取芯片材料，选取材料时考虑的主要因素是：①优良的加工性能，便于大批量生产以降低费用。材料具备良好的加工性能是提高成品率和自动化生产的前提，也是芯片批量生产的前提条件；②生物相容性或化学惰性，不影响分析试剂、药物的化学性质；③散热和绝缘性；④良好的光透性能，适应光学检测的要求。另外还要考虑材料的电渗流特性、表面可修饰性及可密封性能等