1、第六章 微流控分析,6. 1 微全分析系统和微流控分析概述微全分析系统（micro total analysis system，TAS）或称芯片实验室（lab on a chip，LOC）是一个跨学科的新领域，是分析化学、微机电加工、计算机、电子学、材料科学、生物学及医学等多学科的交叉；它将样品的预处理（包括过滤、浓缩、衍生、样品的混合、反应）以及样品的进样、,分离和检测等常规实验室操作集中在平方厘米级的芯片上完成，实现化学与生物分析系统的整体微型化、自动化、集成化与便携化。微全分析系统体积的微型化使其分析速度加快，自动化和集成化程度提高。人类基因组计划的提前完成，即归功于96通道微芯片电泳的
2、运用；随后发展的384通道的阵列毛细管电泳微芯片，使分析通量得到进一步的提高。,自从Manz和Widmer于20世纪九十年代初首次提出微型全分析系统的概念以来，该领域已经发展成为当前世界上最活跃、最前沿的科技领域之一，而其核心技术则是以微流控技术（microfluidics）为基础的微流控芯片。 6. 1. 1 微流控分析系统的特点微流控芯片是通过微加工技术将微通道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能单元，集成在平方厘米大小的芯片材料上。微流控芯片在装置上的,主要特征是其微纳流体的有效结构（包括微通道、反应室和其它某些功能部件）至少在一个维度上为微米级尺度。与宏观尺度
3、的实验装置相比，微流控芯片的微米级结构显著增大了流体环境的面积/体积比例，产生了特殊的效应，包括：层流效应，表面张力及毛细效应，快速热传导效应和扩散效应。这些特殊效应使得微流控芯片的分析性能在很多方面超过了宏观体系下的分析性能，性能改善主要表现在：,(1) 分析系统的微型化; (2) 分析系统的集成化、自动化; (3) 分析效率显著提高; (4) 试样和试剂消耗显著下降; (5) 实现高通量的分析 。微流控分析系统体积的微型化带来分析性能的 改善会降低分析成本，降低分析过程产生的废物 对环境的污染，并可以制备一次性用的分析设 备。然而，系统的微型化必然会增加芯片制作的,难度，微通道表面性质的微
4、小变化会对分析性能产生很大的影响，同时体积的微型化也会在一定程度上增加操作难度和检测难度等。6. 1. 2 微流控芯片的加工微流控分析系统的核心是微流控芯片，而微流控芯片的最基本特征是微米级的微通道系统，在此尺度下，一般的机械加工手段难以满足要求，因此需要与之相匹配的微加工技术。单晶硅是最先尝试使用的芯片基材，这主要是因为当时单晶硅是微电子行业的基础材料，其加工工艺和相关设备完善。,但是单晶硅在介电性、光透明性及抗腐蚀性等方面并不能很好地满足化学分析的要求，同时成本也比较高。石英和玻璃则弥补了单晶硅在电学和光学性能方面的不足，并且价廉、易得，加工技术与硅片加工技术相似，也可采用微机电加工技术中
5、的光刻和蚀刻技术。应特别指出的是玻璃基材，它是一种化学分析和测量容器的传统材料，因此很快成为微流控系统的主流基材之一。,玻璃和石英等无机材料芯片的加工过程包括光刻和蚀刻、打孔、键合，而这些过程由于加工技术本身的特殊要求或材料本身性质，对加工环境的要求高，加工设备昂贵、加工周期长、加工难度大，难以批量生产等不利因素促使科学工作者把目光投向了高分子材料。,高分子材料具有种类繁多，可供选择的余地大，加工成型方便，价格便宜等优点，又有很好的透明性和介电性，成为目前除玻璃材料之外的另一类主要芯片材料，在一次性芯片的开发中占主导地位。聚合物材料作为芯片基材需考虑的指标有：良好的光学性质，易加工，对分析物惰
6、性，良好的电和热特性，易于进行表面修饰和改性。,在高分子聚合物中又可以分为两类，一类为室温下为固体的硬质聚合物，最常使用的是聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate, PET）等。这类高聚物芯片的加工多采用热压法、激光烧蚀法等。,另一类是弹性聚合物，具有代表性的是聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)，是当前应用最为广泛的微流控芯片材料之一。PDMS 具有独特的弹性、良好的透光性、介电性、化学惰性、无毒，
7、容易加工和价廉等优点，由模塑法和软光刻法即可制备PDMS芯片。PDMS由单体和交联剂前体热交联而得，反应条件温和，100 以下即可。,此外，由Lago等提出的直接打印法，利用绘图软件设计管道构型，管道处设为白色，而其它地方设为黑色；利用激光打印机将管道形状打在透明胶片上，管道的深度由碳粉的厚度决定；最后利用热层合机制得芯片。这种芯片制备方法大大简化了芯片制作过程，降低了芯片成本，并可方便地制作适用不同用途的分析芯片。这种打印芯片已经用于生化物质的分离、微混合器的制作以及微酶反应器的集成等。,6. 1. 3 微流控分析的应用领域随着微流控芯片加工技术的不断发展，微流控分析系统由于其不同于宏观体系的优异分析性能，已经渗透到疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、临床医学、司法鉴定、食品卫生和环境检测、生物武器的侦检等各个领域，其重点应用领域是生命科学领域。,随着人类基因组计划的完成，人类已经进入后基因时代，单核苷酸多态性分析、基因表达分析、基因变异分析和蛋白质组分析将变得更为重要，而这些正是生物分析化学所面临的重要问题。由于微流控分析系统具有大规模平行处理能力，它可能成为后基因组时代的支撑性技术之一。微流控技术可以实现在一个高通量芯片上同时对多个病人进行多种疾病的快速检测与疾病早期诊断，将在未来的临床诊断中发挥重要作用。,
