微流控芯片分析法.doc

微流控芯片分析法一、概述微流控分析是指利用微流控芯片或系统对物质的组成、含量、结构和功能进行测定和研究的一类分析方法。它起源于20世纪90年代初由瑞士的ManZ和Widmer提出的以微机电系统（microelectromechanicalsystems,MEMS）技术为基础的“微全分析系统”(miniaturizedtotalanalysissystems，或micrototalanalysissystems，μTAS）概念[1],其目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上。由于这种特征，该领域还有一个更为形象的名称“芯片实验室”（labachip）。上述系统的核心是微流控芯片(microfluidicchips)，其结构特征是在方寸大小的散芯片上加工微通道网络，通过对通道内微流体的操纵和控制，实现整个化学和生物实验室区功能[2]。微流控分析的基本技术微流控芯片加工技术微流控芯片的基本结构单元是具有微米级深度和宽度的微通道，由其构成微通道网络，并根据不同的需要集成微结构、微阀、微泵、微储液器、微电极、微检测器、微控制和微处理等单元，组成完整的微流控芯片系统。因此，加工微流控芯片需采用特殊的微细加工技术，该技术起源于微电子工业中的微机电加工技术，目前已发展出多种适合不同芯片材质的芯片微加工技术[2-4]。微流控芯片所使用的材料包括无机和有机材料两大类。常用的无机材料包括单晶硅、无定型硅、玻璃、石英、金属等。利用硅材料加工微流控芯片的优点是芯片表面光洁度好，图形复制精准度高，具备三维结构加工能力，工艺成熟，可批量生产。其缺点是材料易碎、不透光、电绝缘性不好。通常被用于加工微泵、微阀和控制元器件，或制作高分子聚合物芯片的模具。玻璃和石英是目前加工微流控芯片中使用较多的材料，其优点是透光性好，机械强度高，微加工工艺较成熟；其表面的电渗和亲水性质适于进行毛细管电泳分析。石英材料可透过紫外光，但其成本是玻璃的十倍。目前，用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。热塑性聚合物包括聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂和聚氨酯。溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等。高分子聚合物材料的优点是材料种类多、成本低、适合大批量制作等。其中，PDMS因其具有良好的微结构成形性、透光性和生物相容性，是目前使用最多的高聚物芯片加工材料。通常微流控芯片的加工按流程分为两部分：芯片微通道加工和芯片的封合。目前，微通道的加工方法主要有光刻和蚀刻法、模塑、热压法、激光刻蚀法、LIGA技术和软光刻法等。其中，光刻和蚀刻法主要是用于无机材料芯片的加工及芯片模具的加工。模塑、热压法、激光刻蚀法、LIGA技术和软光刻法等主要是用于高分子聚合物芯片的加工。芯片的封合技术则有热键合、常温键合、黏结法等，不同材质的芯片封合方法各有不同。微流体驱动技术微流控芯片分析系统在结构上的主要特征是各种构型的微通道网络，通过对通道内微流体操控，完成芯片系统的分析功能。微流体驱动系统是实现微流体控制的前提和基础。微流控芯片分析系统所使用的驱动系统，突出特点是流量低，通常范围在pL-µL/min。依据驱动系统有无活动的机械部件，可分为有活动机械驱动部件和无活动机械驱动部件的微驱动系统（泵）。依据微驱动系统所用的驱动动力的不同，可分为流体动力、气动动力、电渗动力、重力（流体静压力）、热气动动力、表面张力、剪切力、离心力、声波动力、压电动力等。目前在微流控分析系统中使用的流休动力驱动系统主要有微量注射泵和各类微机械往复泵。微量注射泵具有驱动流量稳定，可调范围大的优点，但其体积较大。不易实现系统的微型化：微机械往复泵的组成通常包括以下部分：一个具有出入通道的微体积泵腔，出入两通道上分别设置两个控制流向的单向阀，泵腔的部分内壁由可往复运动的泵膜（可活动的机械部件，通常为隔膜或活塞形状）构成；致动器产生致动力作用于泵膜，使其发生形变或位移（运动），以驭动泵腔内的液体。其基本工作模式是由致动力的循环往复变化，产生泵膜的往复运动，配合两单向阀的限流作用，形成单向连续流动的液流。微机械往复泵按致动器类型的不同有压电微泵、电磁微泵、静电微泵、气动微泵、热气动微泵、双金属微泵等。微机械往复泵的特点是体积微小，易与芯片集成化，但结构复杂，加工难度较大，输出液流流速有脉动，泵压较低。目前，在微流控芯片分析系统中，使用最多的微机械往复泵是基于PDMS气动微阀的微蠕动泵[5]。该系统采用多层软光刻技术加工，其有结构简单，体积微小，易实现芯片集成化、规模化加工的特点。目前，微流控芯片分析系统中使用较多的非机械驱动方式有电渗驱动、重力（流体静压力）驱动、负压