图解微流控｜第1期

莺歌燕舞

​绪    论（一）
微流控芯片实验室（图1-1）是本世纪一项重要的科学技术，可能成为现代科技文明不可或缺的组成部分，对人类整体文明的发展进程产生影响。
现代科技文明发展的主旋律之一是微型化和集成化。手机越来越小，集成功能越来越多；电脑CPU线宽越来越窄，信息处理能力越来越强；通信、ipod、pda、移动式E-mail、电子地图和掌上影院已经可以集成到一种名为iphone的设备上，这个被《时代》杂志评为2007年世界十大科技发明之首的iphone其尺寸仅有115 x 61 x 11.6 mm。
这些以微型或集成为根本特征的科技成果已经使人们相隔千里就可以无障碍通话，足不出户就可以办公，野外荒郊就可以看电影。人们开始作更多的设想，比如，有没有可能把疾病诊断设备，甚至整个医院的检验系统都微缩并集成到一个便携式的装置内；有没有可能在厨房内放一个手机大小的装置，随时监测应用水、牛奶、果汁等是否合格或者水果蔬菜农药残留是否超标……如果这样，人们就可以随时随地诊测病情，毫无顾忌地享用美食，生活质量因此大幅提高，甚至生活方式都将发生改变。
微流控芯片实验室具备将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米薄片上的能力，它很可能使人们上述美好的愿景成为现实。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杂志就这种可能成为“这一世纪的技术”推出专辑（图1-2）。


图1-1一种典型的微流控芯片


图1-2 Business 2.0杂志2004年第5卷8期封面和Nature杂志2006年微流控芯片专辑封面

1.1 基本概念
微流控芯片实验室又称微流控芯片（microfluidics）或芯片实验室（lab-on-a-chip)，指的是在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室。它把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能（图1-3）[1]。
从物理上，微流控芯片是一种操控微小体积的流体在微小通道或构件中流动的系统，其中通道和构件的尺度为几十到几百微米，承载流体的量为10-9-10-18升。
图1-4所示为几种微流控芯片图片，微通道网络清晰可见。图中黑色箭头指示微通道网络。1号芯片旁为一硬币，2、3和4号芯片被小镊子摄取。1号芯片由塑料制成，2号和3号芯片由石英制成，4号芯片由玻璃制成。白色箭头指示存储各种试剂溶液的储液池，储液池和芯片微通道相连，各种试剂由储液池进入微通道（试剂也可通过别的方式进入微通道，详见第5章）。


图1-3“微流控芯片实验室”概念展示，数字代表不同的操作单元


图1-4 各式各样的微流控芯片

微流控芯片实验室各个操作单元通过微通道网络内流体的流动相互联系。设计适当结构的微通道网络，使流体在该微通道网络内按一定的方式流动，微流控芯片就可以从整体上实现特定的功能。
图1-5所示为几种常见的微流控芯片操作单元。（a）为样品区带生成单元，通过一个十字交叉结构，可很容易地在芯片上产生一个样品区带。一般而言，样品区带的产生是分离分析的前提条件。（b）为浓度梯度生成单元，两种不同的溶液分别从A、B入口流入网络，经多次分流-混合，在出口端可以形成一个浓度梯度。这种浓度梯度的产生对血管生成、组织器官的分化等研究具有重要意义。（c）为细胞固定单元[2]，利用这种单元可很容易地在芯片上形成单细胞阵列，如照片所示。（d）为液滴生成单元，当水相和油相的流速为一定比例时，水相可以在油相中形成液滴，这种液滴可以承载各种生化反应。
从上述几例可以看出，流动方式和微通道网络在很大程度上决定了它的功能，灵活的微通道网络设计是微流控芯片基本单元操作设计的一个关键所在。对于这些基本操作单元而言，它们依靠微通道网络连接，使网络连接通畅运行的关键部件是微泵微阀，微泵微阀也是大规模集成微流控芯片实验室得以形成的必要条件。


图1-5微流控芯片几种常见功能单元及其相应的微通道网络结构和流体流动方式


1.2 相关称谓
与微流控芯片实验室相关的称谓有微全分析系统、微阵列芯片、生物芯片等。这些称谓常见于各种科技材料和媒体报道中，他们文字相似，意义有别，读者容易产生混淆。本书在此对这些称谓进行说明。

1.2.1 微全分析系统
微全分析系统（μ-TAS）是以样品分析为最终目标的一类微流控芯片的统称。这种分析用系统尺寸微小，可以集成样品预处理、分离和检测等分析化学领域广泛采用的各种操作单元。在微流控芯片诞生后的前几年，由于认识水平的局限，微全分析系统和微流控芯片两个概念被经常混用，后来的实践证明微全分析系统只是微流控芯片中的一个类别，而远不是它的全部。
图1-6所示为作者实验室开发的一组分析用芯片，箭头所指芯片即为一种以针对DNA的微全分析系统，芯片尺寸为63×20 mm，集成了DNA萃取、PCR扩增和电泳分离操作单元。


图1-6 作者实验室研制的一组分析用芯片

1.2.2 生物芯片
顾名思义，生物芯片指的应是一类以生物领域为其应用对象的芯片形式。
由于历史的原因，现阶段见诸于传媒的生物芯片指的是一种不含微通道，没有流体流动，以生物分子间的静态杂交和高密度点阵为特征的芯片（图1-7）。这种芯片先于微流控芯片问世，专一地应用于某些生物领域，在特定的历史条件下得名“生物芯片”，并在某些场合沿用至今。在微流控芯片广泛应用于生物领域的今天，这种薄片以称之为“杂交点阵芯片”更为确切。
国内一些大众媒体不时将微流控芯片和生物芯片相提并论，造成认识上的混乱。事实上，尽管微流控芯片具有很强的生物功能，但是生物功能却远非微流控芯片功能的全部，尽管微流控芯片也能有静态杂交反应单元，但静态杂交反应又远非是微流控芯片所含操作单元的全部。无论从结构上还是功能上来说，微流控芯片较之被称之为生物芯片的杂交点阵芯片而言，有着后者所无法比拟的内涵和外延。
从某种意义上说，杂交点阵芯片可以被看作是微流控芯片中操作单元只有亲和杂交一种，且流体的速度为零时的特例。杂交点阵芯片通量很高，但是它没有流体流动，传质仅靠扩散，反应相对缓慢、低效，在性能上存在着相当大的改进空间。目前一种倾向性的做法是，将微流控芯片上的某些元素，特别是反映其流动特征的混合技术，引入杂交点阵芯片中，大幅度地提高后者的反应效率。作者实验室进行了若干相关工作，图1-8为其中一例。


图1-7传媒所称的生物芯片（杂交点阵芯片），原理(a)和实物放大照片(b)
（a）在一块薄片上加工出一系列面积非常小（μm× μm，甚至更小）的活性区域，这种区域通常称为“点”，生物分子可以固载其表面。利用固载生物分子与样品中被分析物的特异性结合对样品进行检测；（b）每个点的直径<1 μm，每个点的荧光颜色和强度不同代表样品中被分析物的种类和浓度不同



图1-8微流控芯片技术促进杂交反应效率
（a）纯生物点阵芯片；（b）纯生物点阵芯片上的杂交结果；（c）将微流控芯片置于生物点阵芯片之上，微流控芯片上的混合操作单元覆盖生物点阵芯片的点阵区域，利用微流控芯片的混合技术提高生物点阵芯片的杂交反应效率；（d）基于微流控芯片的杂交结果

1.2.3 微阵列芯片
微阵列芯片指的是一种平行集成了多个相同或基本相同的操作单元或单元群的芯片。微阵列芯片的基本特征是高通量。高通量是规模集成的一种形式，只是被集成的操作单元或单元群是相同或基本相同的。如果操作单元或单元群之间是有流体相通的，这样的微阵列芯片往往就是集成的微流控芯片。反之，如果操作单元或单元群之间没有流体相通，这样的芯片可以具有微阵列的特征，但它不是一种微流控意义上的微阵列。
上节提及的被一些大众传媒称之为生物芯片的杂交点阵芯片是微阵列芯片的一种，只是，此处被集成的操作单元是一种简单的点状的杂交反应器，并且，被集成的每个操作单元之间没有连接，当然也就没有流体的流动。
作者所在课题组研制过一系列的阵列微流控芯片，图1-9为其中几例。（a）为阵列微流控电泳芯片[4]，该芯片包含3组12个平行的芯片电泳单元。（b）为阵列微流控水凝胶细胞芯片，该芯片可以进行高通量细胞分析，通量可以超过103。（c）为药物筛选用阵列微流控芯片[5]，可一次筛选8种药，64个筛选条件，192个筛选指标。


图1-9作者实验室所开发微阵列芯片的三个实例

1.3 发展简史
微流控芯片的概念出自于上世纪90年代初，由A.Manz等提出。世界范围内的研究始于90年代的中后期，其间的发展大体经历了三个阶段。

在整个90年代，微流控芯片更多的被认为仅仅是一种分析化学平台，因此往往和“微全分析系统”概念混用。而在最初的几年，由于系统最早引入的操作单元是电泳，而最常用的操作往往也是电泳，因此，更甚至被称之为芯片电泳或芯片毛细管电泳。
21世纪的最初六、七年可以被看作是微流控芯片发展的第二阶段。2000年Whitesides等关于PDMS软刻蚀的方法在Electrophoresis上发表。2002年Quake等以微阀微泵为特征的“微流控芯片大规模集成”文章在Science上发表，学术界和产业界越来越清楚地意识到微流控芯片将远远超越“微全分析系统”的概念而成为科学技术界一种极其重要的平台。
2001年，“Lab on a Chip”（芯片实验室）杂志创刊，它很快作为本领域的一种主流刊物，引领着世界范围研究的深入开展。到2004年美国Business 2.0杂志在一篇封面文章中已把芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”。在这一段时期里，中国科学院和一些大学的一批研究小组在中国政府各类基金的支持下，从各个不同的领域切入，开展了卓有成效的工作，发表了很多有价值的论文，申请了一大批发明专利，成果举世瞩目。
2006年或许可以被认为是第三阶段的开始。2006年7月Nature杂志发表了一期题为“芯片实验室”的专辑，收集了一篇概论和六篇综述，从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景，并配有一篇编辑部的社评。社评认为，芯片实验室可能成为“这一世纪的技术”。虽然科学家的言论还非常谨慎，用词也斟酌再三，但是芯片实验室所显示的潜在意义，已在更高的层面和更大的范围内被学术界和产业界所认识。


图1-10 微流控芯片发展大事记

同样是在2006年7月，作者课题组的专著“微流控芯片实验室”由科学出版社正式出版。这部近50万字的专著以作者实验室的工作贯穿始终，概括了作者课题组开展微流控芯片研究的基本历程和主要成果，特别是在生物医学领域应用的丰富积累，其所显示的内容和阐述的观点和Nature专辑的基本思想不谋而合，从一个侧面反映了中国科学家在这一个领域的贡献。也就在这一年，统计数据显示，中国学者在微流控芯片实验室领域SCI论文数已跃居世界第二。同年11月，作者课题组应邀在Biotechnology Journal杂志上发表题为“Recent Advances of Microfluidics in China”的长篇综述，引起了国际学术界的广泛重视。

参考文献



文章来源：《图解微流控芯片实验室》林炳承、秦建华编著

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