微流控芯片技术详解_微流控技术在生物医学上的
栏目:行业动态 发布时间:2020-05-14 04:07
微流控芯片手艺(Microfluidics)是把生物、化学、医学判辨流程的样品制备、响应、区别、检测等根本操作单位集成到一块微米标准的芯片上, 自愿告竣判辨全流程。因为它正在生物、...

  微流控芯片手艺(Microfluidics)是把生物、化学、医学判辨流程的样品制备、响应、区别、检测等根本操作单位集成到一块微米标准的芯片上, 自愿告竣判辨全流程。因为它正在生物、化学、医学等范畴的庞大潜力,曾经发达成为一个生物、化学、医学、流体、电子、质料、死板等学科交叉的极新商量范畴。

  本文最先先容了微流控手艺道理及微流控芯片的事情道理,其次细致的发挥了微流控芯片手艺,末了先容了微流控手艺正在生物医学上的使用,全体的追随小编一同来相识一下。

  微流控(microfluidics )是一种切确独揽和操控微标准流体,以正在微纳米标准空间中对流体举办操控为苛重特质的科学手艺,具有将生物、化学等尝试室的根本功用诸如样品制备、响应、区别和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的才具,其根本特质和最大上风是众种单位手艺正在合座可控的眇小平台上活泼组合、范围集成。是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等范畴的交叉学科。

  微流控是体例的科学手艺,它运用几十到几百微米标准的管道,收拾或操控很少量的(10*至10~18升,1立方毫米至1立方微米) 流体。最初的微流控手艺被用于判辨。微流控为判辨供应了很众有效的功用: 运用异常少的样本和试剂做出高精度和高敏锐度的区别和检测,用度低,判辨年光短,判辨兴办的印记小。微流控既运用了它最分明的特质逐一尺寸小,也运用了不太分明的微通道流体的特性,例如层流。它本色上供应了正在空间和年光上荟萃独揽分子的才具。

  微流控芯片采用相似半导体的微机电加工手艺正在芯片上修筑微流途体例,将尝试与判辨流程转载到由互相接洽的旅途和液相小室构成的芯片布局上,加载生物样品和响应液后,采用微死板泵。电水力泵和电渗流等办法驱动芯片中缓冲液的活动,变成微流途,于芯片前进行一种或贯串众种的响应。激光诱导荧光、电化学和化学等众种检测体例以及与质谱等判辨伎俩联结的许众检测伎俩曾经被用正在微流控芯片中,对样品举办神速、正确和高通量判辨。微流控芯片的最大特性是正在一个芯片上可能变成众功用集成编制和数目繁众的复合编制的微全判辨体例?微型响应器是芯片尝试室中常用的用于生物化学响应的布局,如毛细管电泳、会集酶链响应、酶响应和DNA 杂交响应的微型响应器等。个中电压驱动的毛细管电泳(Capillary Electrophoresis,CE) 比拟容易正在微流控芯片上完毕,所以成为个中发达最速的手艺。它是正在芯片上蚀刻毛细管通道,正在电渗流的用意下样品液正在通道中泳动,告竣对样品的检测判辨,若是正在芯片上修筑毛细管阵列,可正在数分钟内告竣对数百种样品的平行判辨。

  基质质料是微流控芯片的载体,正在微流控芯片发达的初期,硅质料行为修筑微流控芯片的首选质料而被普及运用,这苛重归因于业已成熟的半导体手艺。然则跟着商量的不时长远和使用范畴的不时拓展,它体现出了区别水平的控制性:硅质料属于半导体,不行担当高电压,别的,硅质料不透后,与光学检测手艺不兼容。

  玻璃质料具有很好的电渗性子和优越的光学性子,无论是从其物理性子依然化学性子来讲,都异常适合于微流控芯片的筑制,然则它的光刻和蚀刻手艺工艺丰富、费时,筑制本钱过高,这些要素限制了玻璃微流控芯片的使用和推行。

  所以,商量者们入手把更众的注视力转向了原质料低廉、加工筑制简陋的高分子会集物,目前,以聚二甲基硅氧烷(PolydiMethyl-Siloxane,PDMS)为代外的有机高分子会集物已成为微流控芯片商量的热门,PDMS体现出了异常理念的质料性情:优异的绝缘性,能担当高电压,已普及使用于百般毛细管电泳微芯片的筑制;热稳固性高,适合加工百般生化响应芯片;具有很高的生物兼容性和气体通透性,可能用于细胞提拔;同时具有优越的光学性情,可使用于众种光学检测体例;弹性模量低,适合于筑制微流体独揽器件,如泵膜等。别的,PDMS还可能和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等很众质料变成很好的密封。别的,较常用的高分子会集物还包含聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethylMethAcrylate,PMMA)、聚碳酸酯(PolyCarbonate,PC)等。

  微细加工手艺是微流控芯片发达的前大纲求,微流控芯片的筑制手艺最先开始于缔制半导体及集成电途芯片所普及采用的光刻(Lithography)和蚀刻手艺(Etching),目前曾经普及地用于硅片、玻璃和石英等基质质料上微流体收集的筑制。其微缔制工艺为:最先通过光学制板摄影手艺制备包含微流控芯片图案的掩模,制备好的掩模平时是镀有铬层的石英玻璃板;然后用甩胶机匀称地正在芯片外面涂敷一层光刻胶,正在紫外光下举办曝光,显影。上述事情告竣之后,用相应的腐化剂对芯片举办蚀刻,蚀刻告竣后,去除节余的光刻胶便可取得所需的芯片微细布局。该办法工艺周期长、筑制本钱高,但其微加工手艺异常成熟。

  与硅片、玻璃质料区别的是,可用于微流控芯片加工筑制的高分子会集物品种繁众,并且各质料之间的物理化学性子差异很大,是以它们的微加工手艺体现出了必然的众样性,目前苛重有模塑法、热压法、LIGA手艺、激光烧蚀手艺和软光刻法等。

  是指通过光刻掩模手艺制得突出的微流控芯片阳模,然后正在阳模上浇注液态的高分子会集物,当高分子会集物所有固化后将其与阳模剥离即可取得具有微流体收集的基片,适宜采用模塑法的高分子质料应当具有很低的黏度和很低的固化温度,如PDMS,环氧树脂,聚四氟乙烯等质料。

  也是一种必要阳模的微流控芯片缔制手艺,该手艺苛重运用了高分子会集物的玻璃转化温度。与模塑法比拟,热压法制得的微通道反复性较差,并且管道易发生变形,操作要求相对苛刻。该办法苛重使用于热塑性质料的加工,如PMMA和PC等。

  是一种新型的微细加工手艺,它是通过紫外激光降解高分子会集物,适宜激光烧蚀加工的质料有PMMA、聚苯乙烯、硝化纤维等。

  微流体把握手艺是微流控芯片手艺中最苛重的一个商量范畴之一,通过百般死板或非死板力完毕对流体的驱动和独揽。凭据微流体驱动编制中有无死板营谋部件,可能将其分为死板和非死板驱动体例。

  苛重包含压电微泵、静电微泵等,它苛重是通过静电、压电等区别办法来触发惹起的死板部件的运动,从而为微流体供应动力源,这种泵的长处是任何流体都可能饱舞,但其所驱动的流体呈脉冲状而不是贯串式的。

  苛重包含电渗泵、热毛细管泵等,个中电渗泵是微流控芯片体例中最常用的一种驱动力,相对待微死板压力驱动的泵来说,电渗泵有许众长处:如电渗泵易于筑制并且没有任何搬动部件,电渗泵的样品柱唯有少量的扩散,别的,可能采用蜕变微通道壁x(电势)的办法来进一步独揽电渗流的量和目标。

  微流控芯片的布局特质决计了其检测手艺的出格性,与古板检测仪器比拟,微流控芯片对其检测体例提出了更高的央求,如央求聪明度高、反应速率速、具有平行判辨功用和便携式特质等,目前基于区别志理的许众检测手艺都曾经使用到微流控芯片的商量中,苛重有光学检测、电化学检测、质谱等办法。

  光学检测是微流控芯片检测办法中使用最广的一种,其长处正在于聪明度高、适用性强,欢乐斗牛在线玩且检测器与判辨对象不需直接接触。个中激光诱导荧光检测(Laser Induced Fluorescence,LIF)是目前最聪明的检测办法之一,其聪明度到达10-9mol/L~10-12mol/L,对待某些荧光功效高的分子,其检测才具可能到达单分子水准,所以它也是目今商品化微流控体例中独一被采用的检测器。但该检测兴办价值腾贵,并且体积宏壮,与微尺寸的微流控芯片极不结婚,必然水平上束缚了其普及推行与使用。

  基于电化学检测道理的检测体例可能说是最无缺的、最集成、最理念的芯片检测体例之一,这苛重有两方面的原故:一方面,微电极的缔制手艺与目今微流控芯片的加工工艺是所有兼容的,可能完毕多量量坐褥;另一方面,电化学检测具有聪明度高、拣选性好、不受光程和样品混浊度影响等长处,且只必要极少的外围辅助兴办即可完毕神速检测,图1给出的是一种便携式电化学检测体例。无疑,基于电化学道理的芯片检测手艺代外将来芯片检测器的一个苛重发达目标,显示了庞大的使用代价和潜力。

  质谱检测手艺行为生物化学判辨的苛重伎俩,因为可能供应试样组分中生物大分子的根本布局和定量音信,是以正在微流控芯片检测器中体现出了庞大潜力,但目今质谱检测的瓶颈正在于质谱仪与微流控芯片的接口题目。

  从微流控芯片的判辨本能看,其将来的使用范畴将万分普及,而且其使用范畴仍正在不时地拓展之中,但目前的中心昭彰是正在生物医学范畴。除此以外,高通量药物合成与筛选、处境监测、食物卫生、刑事科学及邦防等方面也会成为苛重的使用范畴。现仅就微流控芯片正在生物医学范畴的使用举三个例子阐明微流控芯片体例的庞大潜力:

  毛细管电泳芯片是微流控芯片中发达最早、也是发达最速的一项芯片手艺,目前曾经成为微流控芯片范畴中最令人注视的一个分支。与古板的毛细管电泳比拟,它具有自愿化水平高、样品消费少、判辨速率速以及高通量等特质,正在对DNA片断、众肽、卵白质等生物大分子的判辨中,它体现出了超强的区别判辨才具,它被以为是后基因期间中最有祈望霸占卵白质商量、基因临床诊断等科学困难的区别判辨伎俩之一。

  1992年Manz A宣告了第一篇相闭毛细管电泳芯片的论文,该文以荧光染料为判辨对象,欢乐斗牛在线玩以电渗盛行为流体驱动力,正在芯片微流体收集中胜利地完毕了流体独揽,向人们显现了毛细管电泳芯片的雏形和其杰出的区别判辨才具,这一商量劳绩惹起了学术界的普及闭怀和有趣,接踵百般用于氨基酸、卵白质、药物等区别的芯片也不时开辟胜利。为了进一步进步芯片的判辨才具,Mathies向导的商量小组近来正在直径为200mm的圆盘玻璃芯片上集成384个毛细管电泳微通道,其有用区别长度到达了8cm,对100bp(base pair,碱基对)~1000bp的基因尺度标志物到达了优于10bp的分离率,并正在该芯片上告竣了1163D变异基因的PCR-RFLP(束缚性片断长度众态性)判辨,为临床诊断供应了凭据。

  毛细管电泳微芯片是微流控判辨芯片中家当化水平最高、也是最先完毕商品化的一类芯片,早正在1999年,美邦惠普(现为安捷伦)与Caliper Tech-nologies公司笼络研制的第一台微流控芯片商品“2100生化判辨仪”就曾经入手投放商场,该体例运用CAliper公司坐褥的玻璃芯片,采用LIF举办检测,并配了5~6种试剂盒配合运用,可对DNA、RNA片断及卵白质等举办电泳区别检测,玻璃芯片尺寸为1.8cm×1.8cm,有用区别长度约1.6cm,30min可同时告竣12个样的区别检测。与古板的基因和卵白质电泳比拟,芯片毛细管电泳无需样品的走胶、染色、脱色工序,无需干燥和摄影等琐碎耗时的步伐,同时神速测试众个试样,取得基因和卵白质的电泳图和弧线。一切测试流程简化为神速、简单的三个步伐:装载样品、举办判辨、旁观数据。

  毛细管电泳的一个苛重使用范畴是基因测序,恰是由于96根毛细管电泳阵列仪普及地使用于人类基因组策划的测序事情之中,才使环球注视的人类基因组策划的过程大大加快,使之由原定的2003年提前到2000年根本告竣。究竟上,从基因测序的道理来讲,芯片毛细管电泳测序和通常毛细管电泳测序是所有一律的,但前者体现出了更大的杰出性:最先因为芯片毛细管电泳特有的注样式样和更细的区别通道,是以它能完毕DNA的神速区别;另一方面微流控芯片采用了半导体工业中成熟的微加工手艺举办缔制,是以一块芯片上可能集成更众的毛细管,完毕高通量测序;末了因为它完毕了产品收拾和判辨的集成化,裁汰了人工作梗,所以更进一步地低重了操作本钱。

  Mathies向导的商量小组早正在1995年就入手正在微流控芯片上发展了DNA测序事情,他们正在一块有用区别长度为3.5cm的芯片上测序了150个碱基,他们运用芯片变性毛细管电泳正在10min之内就告竣了对433个碱基序列的测定。该测序芯片的毛细管长度为3.5cm,横切面尺寸50m×8m。为了进一步进步DNA测序才具,到2001年他们正在直径为150mm的圆形玻璃芯片上,刻蚀出了96个呈辐射型排布的毛细管电泳通道阵列,因为芯片采用挽救扫描LIF法举办检测,是以可完毕平行测序,测序达500碱基。

  生化响应芯片的功用便是把正在通常尝试室中举办的生化响应尝试缩微到一块小小的芯片上来告竣。目前报道的生化响应芯片苛重包含会集酶链响应(Polymerize Chain Reaction,PCR)芯片、药物合成芯片等,个中PCR芯片是生化响应芯片的规范代外。有目共睹,常例PCR必要制样、扩增及检测等步伐,既费时又吃力,而当用微流控芯片举办PCR扩增及闭连检测时,则可大大简化操作步伐、明显进步检测功效。1993年Northrup等人以硅片和玻璃为基质质料初度报道了一种PCR芯片,并通过尝试证据了PCR芯片可行性。该芯片的响应室刻蚀正在硅片中,体积约为几微升,加热器也直接集成正在芯片上,与古板的PCR比拟,正在相似扩增功效下,该芯片的热轮回功效速2~ 10倍。为了进一步进步PCR芯片的热轮回速率,Kopp M U等人发达了一种贯串活动式的PCR芯片,活动式芯片下面有95℃、72℃、60℃三个区别的恒温区间,当样品流经它们时就会完毕自愿变温,正在活动中告竣变性、退火和延迟响应,到达PCR扩增的目标。

  其余,一朝把PCR芯片与毛细管电泳芯片二者集成起来的期间,其上风就显得更为分明。Lagally E T等人正在玻璃芯片上筑制了集阀门、疏水孔、PCR响应池以及毛细管电泳(Capillary Elec-trophoresis,CE)于一体的芯片体例,PCR响应池体积是280nL,PCR扩增前所需模板浓度为20拷贝/mL,响应室中均匀仅为5~6个DNA模板分子,加热器和热电偶集成正在芯片的后背,10min即可告竣20个轮回。响应告竣后,PCR响应产品正在电渗泵的驱动下进入毛细管电泳芯片中,举办正在线CE区别判辨。该芯片体例集取样、PCR扩增和CE区别于一体,精打细算了试剂消费、加快了判辨速率,同时也避免了尝试操作中的人工污染。