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微流控入门·开篇

微流控芯片图

很多人在第一次听说微流控的时候,会觉得这是一门特别高大上的技术,不明觉厉。微流控高不高大上我不敢说,但它绝对是个有趣的技术,有极大的应用前景。

     其实,我们在日常生活中都或多或少接触过微流体。比如医生用毛细管采指血,其实就是利用流体在微观尺度下所呈现的表面张力大于重力的特性。除了表面张力的特殊性之外,微流体相较于宏流体,还有许多其他不一样的物理性质。而微流控所要做的便是在硬币大小的玻璃芯片或者塑料芯片上,利用微流体的性质,来实现对研究对象以及微环境的精确控制

培养微生物的微恒化器

1   Stephen Quake实验室设计的用于培养微生物的微恒化器,利用食物染料对通道进行染色,看上去就像一个集成电路板。每个红色圈圈代表一个反应器,6个可以在一张芯片上平行运行。(硬币直径为18mm)

1.微流控的用途

微流控的发展起源于分析化学领域中微分析技术的发展,比如微型气相色谱、微型液相色谱,毛细管电泳等等。它们的特点是只需要极低的样本量,便可以实现高灵敏度高精度的检测结果。这些技术的成功,直接催化了研究人员去开发新的更好更通用的技术,让更多的化学分析乃至生物领域的分析技术可以微小化。随着聚合物PDMS(聚二甲基硅氧烷)的广泛应用,微流控迎来了春天。透明、柔软有弹性、大多无生物毒性、易于微纳加工PDMS是非常理想的用于技术原型的验证材料,大大缩短了微流控应用的验证周期。近20年来,在以PDMS为材料的微流芯片上发展起来的研究和应用越来越多,PCR,免疫荧光,电泳,质谱,药物筛选,细胞捕获和分选等等都可以在利用微流控实现。

2.微流控的优势

     说到这里肯定有人要问,以上提到的分析技术,在实验室中用瓶瓶罐罐移液枪,以及传统的分析仪器分分钟就能搞定,为何还要用微流控来做呢?在这个做什么都讲究高通量的时代,微流控的优势便凸显出来了。传统的实验方法也许一次只能分析几个样本,如果用96孔板,最多也不会上百。而一张小小的微流芯片一次可以处理的样本量少则几十,多则成千上万。且可以做到全自动化,省时省力。是不是超赞?

     第二个优势是高度集成化。我们来看一下生物实验室中用于扩增DNA的技术PCR(Polymerase chain reaction,聚合酶链式反应),一般都需要哪些流程。首先,在PCR之前要准备反应溶液,需要混匀。溶液准备完之后用PCR仪进行DNA扩增。PCR结束之后通常还需要电泳,对反应产物进行鉴定或分离。你能想象所有的这些反应以及人工的诸如移液和混合的操作,都可以集成在一张小小的芯片上吗(图2)。虽然目前能够集成到微流芯片上的技术还很有限,但这绝对是未来的发展以及突破方向之一。在将来,也许我们每个人的家里,都会常备微流芯片,可以方便地做血常规、病毒检测、或者癌症筛查等等。

PCR反应,DNA电泳在芯片上的整合

2  PCR试剂及试剂混合,PCR反应,DNA电泳在芯片上的整合

第三个优势是实时观测,定量控制。由于微流芯片是由透明的材料料做成的,所以可以与显微镜或者激光探测仪相结合,芯片中的蛋白或细胞可以通过荧光标记来实时追踪荧光强度和位置。除了光信号外,也可以结合电化学的方法收集电信号。定量控制,主要指的是对微环境的控制,包括观测对象周围的物质浓度,流体速度等等。物质的浓度不仅可以是时空均一的,也可以是随时空变化的浓度场。“实时定量”的结果必然是更加精确的数据,生物物理学家利用这些数据抽象出数学模型,用于解释生物学问题以及进行定量预测。

第四个优势是体积小。与其说是优势,不如说是特点。这个特点带来了很多优势,同时也有很多缺陷。微流通道的特征尺寸一般在百纳米-百微米之间,体积小的直接优势是样本需求量少。我们来做一个简单的计算,对于一个(100µm)^3的微腔室,可以容纳的溶液体积是多少呢?答案是仅仅1nL。实验室中处理的通常都是几毫升-几微升的样本,这样一来就大大节省了样本量。尤其对于一些不容易获得的样本,比如受精卵、组织样本等等,这是一个极大的优势。不过在待检物浓度极低的情况下,样本量少反而成了劣势。例如循环肿瘤干细胞(Circulating tumor cell, CTC)的筛查,在肿瘤患者的血液中,每毫升可能就只有几个CTC,如果CTC不经过富集,要想在微流芯片中检测出来几乎是不可能的。体积小的另一个优势在于高表面积-体积比使得热传导以及扩散混合的速度很快,前者能够保证芯片上精确的温度控制,后者提升了生物化学反应速度及精度。不过,高表面积-体积比也会有一些不利,比如蛋白更容易吸附在表面上,影响蛋白活性。

有人说便宜也是微流控的优势,但其实这个是要分情况的。一张微流芯片成品的成本价确实很低,只要几角-几元钱。但是制备芯片的设备,硅片,以及制作工艺等等,都是比较昂贵的。而成本的降低是一定要通过优化制作工艺以及量产来实现的。另外,微流芯片制备和操作的整套系统与生物实验室的兼容性不好,一般的生物实验室并不会有微纳加工间以及流体控制系统,这也是大多数实验室不愿尝试的原因。当然,这两点都不是微流控在技术上层面上的劣势。

(文章来自:MicroX 作者:剑峰伦 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)



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