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集成微流控芯片简介

什么是集成微流控芯片

 

微流控(microfluidics)技术是一种针对极小量(10?9~10?18 L)的流体进行操控的系统科学技术。 微流控芯片(microfluidic chips)是微流控技术实现的主要平台和技术装置, 其主要特征是容纳流体的有效结构(通道、反应室和其他某些功能部件)至少在一个维度上为微米级尺度。 在这一尺度下, 流体的运动具有自己的特点, 与宏观尺度大不相同。 随着半导体微加工工艺技术在微流控芯片制备中的广泛应用, 以及使用弹性材料多层构建等新技术的发展, 人们已经可以将多种功能性的元件和结构规模集成在一块几个平方厘米大小的芯片上。 我们将这种包含多种结构或多个功能的、精确可控的复杂微流控芯片称之为“集成微流控芯片”。

 

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化学及现代生物学的大部分实验都是在溶液状态下进行的, 这些实验都需要盛装液态物质的容器, 例如烧杯、烧瓶、试管、培养皿等; 也大量涉及到液体的转移与输运器材, 例如移液管、滴管、量筒、各种管材等。 在这些实验中, 通常所运用的体积单位是毫升(常见于化学实验)和微升(常见于生物学实验)。 在与生命科学相关的研究中随着通量的上升和样品量的限制, 我们所研究的体系开始使用更小的体积尺度, 这就需要我们用新的技术手段来进行更小尺度下的实验操作与观测。 微流控芯片就是在这样的一种需求下应运而生的技术, 用以进行微量甚至极微量液体的操纵与分析。  

 

1975年, 斯坦福大学的Terry等人]在硅片上制作了第一个小型的气相色谱分析仪, 这个仪器中的关键部件是一个在硅片上通过微加工手段蚀刻的微细通道, 可以形象地看作是一根利用硅片制备的毛细管类似物。 这个芯片可能是第一个现代意义上的实用型“微流控”器件。 它的特点是体积小、分析所需时间短, 但是由于技术限制, 这种硅芯片并未引起广泛重视。 随后, 微流控技术的发展相对缓慢, 直到1990年Manz等人提出“微全分析系统(micro total analysis system, μTAS)”的概念, 才进入了迅速发展的时期。

 

 微全分析芯片的概念具有很强的吸引力, 它的主要特点是将待分析样品的前处理、分离以及检测等步骤高度集成化, 在一块芯片上完成。 随后的近20年时间内, 在潜在应用前景的鼓舞下, 微流控技术的发展速度大大加快。 同时, 以微电子加工和微机电加工为背景的微加工技术不断发展, 达到了一个相对成熟的时期, 为微流控芯片的加工和推广提供了技术平台, 并使得芯片制作的成本得以大大降低。  

 

如今, 微流控分析芯片特别是具备高密度、大规模、高通量、多功能等特点的集成微流控芯片已经在化学和生物学领域发挥着重要的作用。 与宏观尺度的实验装置相比, 这一技术显著降低了样品的消耗量, 增大了流体环境的表面积, 提高了反应效率, 同时也降低了实验产生废物对环境的污染; 集成微流控芯片操作的并行性优势可以实现实验的高通量、自动化控制; 并且通过微阀微泵等微细结构的精确控制, 微流控芯片在提高生命科学研究的时间与空间分辨率上有很大的灵活性, 具有不可替代的优势。

 

集成微流控芯片在细胞培养与控制中的应用

 

细胞是生命的基本组成单元, 细胞生物学是生命科学研究的基础之一。 我们已有的许多认识是建立在针对大量细胞的系综平均结果基础上的, 但是近年来的深入研究使许多生命现象的发生过程已经无法从系综平均上得以阐明, 在少量细胞乃至单个细胞层次上进行生命科学的研究呈现出了迫切的重要性。 绝大多数细胞的大小位于微米尺度, 正好同微流控芯片中的通道大小相适应, 这一匹配为少数或者单个细胞的操控提供了极为便捷的条件。 集成微流控芯片在操作上很强的可控性同时为进行原位的细胞培养以及动态实时的微环境调控提供了可能性, 在小体积内进行这样的实验还可以同时保持合适的浓度、较短的传质时间、较快的时间响应和长时间的动态追踪等。  


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集成微流控芯片在发挥高通量优势同时, 可以锁定单个细胞, 成功地进行细胞受激反应和调控的长时间动态观察与研究, 同时可以观察细胞间通讯对于细胞生长的调节机制, 得以了解生物体反馈机制的真正奥秘, 而不是由于系综统计数据造成的假象。 如果能够定量的进行单细胞分析, 将会对生命过程的细节有更深刻的认识。 


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集成微流控芯片在核酸与蛋白质研究中的应用 

 

核酸与蛋白质是两类最为重要的生物大分子, 对核酸和蛋白质的结构、功能及调控过程的认识与研究为人类在分子水平上研究生命的本质奠定了基础。 微流控芯片技术是研究核酸和蛋白质的良好平台: (1) 芯片上的液体消耗量极小, 可以对极微量液体方便地进行操控, 对于核酸和蛋白质这些生物大分子而言,可以减少样品量、增加浓度, 并且有利于实现核酸和蛋白质的快速并行化分析; (2) 芯片的尺度在微米范围, 该尺度下不仅仅传质和扩散速度很快有利于分析过程的许多操作快速完成, 而且小尺度还具有常规尺度下不具备的某些性质如层流, 电渗等可以很好地应用到分离分析中; (3) 集成化的多功能芯片实现了在极小尺寸下多个实验操作步骤的整合 和流程化操作, 在核酸和蛋白质的分析中, 可以从细胞的培养开始, 通过消化、裂解、提取、富集、纯化、标记、分离、信号放大、结果读出等多个操作环节, 完成全部的操作得到最终数据, 有助于减少样品损失和避免污染与实验操作人为误差。  


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芯片上的化学合成

 

传统的化学合成通常在烧瓶, 烧杯等大体积的容器中进行, 为了获得更快的热传导、物质扩散和反应过程, 进一步提高反应的选择性, 人们开始关注在微反应器中进行化学合成, 而这种微量的化学合成与生物医学的需求正好吻合。 


 

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总结


集成微流控芯片已经成为深入分离分析、化学合成、药物微分析系统、分子免疫学、快速诊断系统、分子生物学、细胞生物学、神经生物学、系统生物学、结构生物学、组织生物学、

微生物学等一系列应用研究领域的综合性、多学科、多领域的交叉学科研究热点。 大规模集成型芯片不仅可以实现许多化学和一些传统生物学实验的自动化操作、检测与分析, 而且可以大大减小样品、试剂和时间的消耗, 极大地提高实验的通量, 减少实验中废弃物的产生。 更重要的是, 集成微流控芯片不仅仅是简单地对传统意义上的化学或生物学实验进行微型化的集成, 它提供了一种全新的理念和技术平台, 使得原先在传统的化学和生物学手段下很难完成或不能完成的某些实验能够得以顺利地实现。 

 

文章来源:科学通报   作者:赵亮、申洁、周宏伟、黄岩谊


标签:   微流控芯片 集成 细胞 蛋白质
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