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微流控芯片初探  

2015-07-11 19:55:54|  分类: 原创 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、什么是微流控

微流控通常被定义为在几微米至几百微米的通道内对小体积(10^-9~10^-18L)的液体样品进行处理或操作的一门系统科学和技术。微流控也称为微流控芯片(microfluidics)或芯片实验室(lab-on-a-chip,LOC),是指在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物实验室。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、裂解等操作单元集成到一块芯片上,通过微通道形成网络,用可控流体贯穿整个系统,以实现常规化学或生物实验室的各种功能。

微流控芯片的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小可控平台上的灵活组合和规模集成,可能会对人类未来的生活方式和生存质量产生影响,这种影响甚至可能是革命性的。

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二、微流控芯片制作与驱动方法

微流控芯片制作涉及芯片材料的选择、加工、封接、表面处理以及与其他装置的集成等多个环节此就其主要技术进行简要介绍。

2. 1材料和制作方法

制作微流控芯片的材料多采用玻璃、硅或高分子聚合物。玻璃和硅具有良

好的化学、光学特性,使用光刻和蚀刻技术可实现高精度地复制二维或复杂的三维结构,但是其造价高,对制造加工环境的要求较高。高分子聚合物种类多,可通过软光刻技术或热塑技术加工,适于大批量一次性芯片的制作,并且物料成本相对较低,但是由于高分子聚合物的机械、化学特性不太稳定,需要适当地进行表面修饰。现在多采用聚二甲基硅氧烷( PDMS) 制作芯片,PDMS 稳定、无毒,可塑性、透气性好,透明易于观察并具有很好的生物相容性。

芯片微通道的制作主要有如下方法:(1)光刻化学腐蚀方法;(2)等离子或反应离子深刻蚀方法,微通道的截面形状为矩形,可得到较高的深宽比;(3)注塑、印模或激光烧蚀;(4)软刻蚀技术(softlithography)等。键合是微流控芯片加工中一个关键的工艺环节,一般可分为直接键合、静电键合、热键合和粘接等方法,不同的材料,其制作方法也有所不同。

2. 2驱动方式方法及优缺点

微流控芯片的驱动方法包括(微量、精密)注射泵,电渗,电泳,重力,离心力和毛细作用。

注射泵的驱动可操作性强、流速范围广、重复性好,但它具有脉动、流阻大、对低流速要求高等缺点。电渗与电泳驱动的简单易操作、设备简单、体积小,但存在着产生焦耳热、电极附近发生电解反应产生气体、歧视效应、对表面要求高重复性差的缺点。重力驱动几乎不需要额外的设备,长期稳定,无脉动,但存在着可操作性差,对阻力变化敏感的缺点。离心力驱动同时驱动多组微通道,驱动的复杂度不受平行结构数目的影响、具有高通量,但具有与其他装置的连接、顺序操作较难、只能利用突破阀和转速等进行简单的控制的缺点。

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三、应用与展望

微流控芯片技术具有重要的科研和经济价值。在医学上,流控芯片主要应用于遗传和单细胞分析、蛋白质研究、细胞迁移、药物筛选、干细胞和神经细胞培养等,加快医学研究的步伐;在农业上,可以对农作物进行病害、营养缺陷进行监测和检测,在病害未显症之前可以进行病害筛查,提前预防,减少病害发生和扩散,降低损失;在畜牧上可以进行药物输送,提高治疗效果,降低生产成本;在食品领域,对于食品中多样复杂的污染源,微流控技术可以充分发挥其快速、准确的优势,为食品安全提供技术支持。

微流控技术未来的发展必然是朝着微型化和集成化的方向进行。微流控芯片技术一开始就是以交叉学科的身份出现,因此决定了它可以与多种技术进行集成,发挥不同技术的优势以应对越来越多、越来越复杂的应用需求。另外,随着制造和加工技术的不断进步,微通道尺寸将越来越小,结构将越来越复杂,在流体流动方向上通道的特征尺度将会常常跨越毫米、微米以及纳米量级。

目前,微流控芯片多处于研究阶段,其产品较少。同时,在实际生产生活中,对微流控芯片的使用率较低、缺乏统一标准等阻碍了微流控芯片市场的发展。将微流控芯片技术渗透到农业和食品行业需要工业制造方而的技术,解决在统一标准方面的漏洞;需要提高现有微流控的技术要求,改变其复杂性和价格昂贵性,使之成为一种功能性系统。虽然微流控技术在农业、食品领域的应用研究起步较晚,但其为提高农业和食品安全提供了新的途径,我们有理由相信它将大有可为。

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