微流控芯片简介与应用

微流控芯片技术是指把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到同一块芯片上,并且能够自动完成分析全过程的一项技术。微流控芯片是微流控技术的下游应用单元,通过微电子机械系统(MEMS)技术,微流控芯片能够在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统,能够快速、准确地实现对蛋白质、核酸以及其他特定目标对象的处理和检测,被业界誉为“芯片实验室”。

作为生物、医学、化学、电子、材料、机械与流体力学等交叉学科而兴起的研究热点,微流控芯片相比于一般的检测技术,具有高分析效率、高精确度、集成化、通量灵活化、自动化和节能环保等优势。

微流控芯片主体结构一般由数片PMMA、PDMS、玻璃或PC等材料所制成的片基所组成,其中包括了微通道、微结构、进样口,检测窗等结构单元构成。与微流控芯片搭配的外围设备有蠕动泵、微量注射泵、温控系统、以及紫外光、荧光、电化学与色谱等检测部件。由于需要驱动和控制微流体的流动,以及对于温度和自动化的控制等因素,制作时有可能需要在微流控芯片上安置阀与传感器,这也是微流控芯片在制造时的主要困难所在。

微流控芯片技术对于材料的选择等别重要, 需要满足以下原则:

(1) 芯片材料所需要的介质应有足够的化学和生物兼容性,不能发生反应,否则会对芯片造成损害。

(2)   芯片材料具有电绝缘性和散热性,以便于更好进行作业。

(3)   芯片材料对于检测信号的干扰程度小,或者没有干扰。

(4)   制作的程序简单,材料便于获得,制作成本低。

(5)   芯片材料应具有良好的可修饰性,可产生电渗流或固载生物大分子。

目前市场上常见的微流控芯片材料有硅材料、玻璃石英材料、有机高分子聚合物材料和纸质芯片材料。

相比于常规诊断技术,微流控最显著的优势就是检验的高效率和高度自动化,微流控芯片的通道中,介质传导传热效率极高,一般高于宏观实验方法一到两个数量级。在 PCR 检验领域,相比传统的PCR检验,现有的微流控芯片能够将诊断检测过程缩短至最少 10-15 分钟。

微流控芯片采用微加工机技术,将所需要的微通道集成到一块基板上面,并能够形成微通道网络,因此不仅体积微小只有方寸大小,而且网络状的微结构比较简单。一般传统的反应器内部动力组件较多、结构复杂、加工要求高,相对于常规的机械加工反应器,微流控芯片的加工更加简便、经济。如今,体外诊断为了追求更广泛的应用场景,比如家庭、野外和社区医院等等,追求微流控体外诊断产品的小型化和轻便化会成为未来医疗的主流。

此外,微流控芯片对于样本的需求量比常规检测方法要少得多,只需要数微升即可,因此整体大大降低了珍贵样本与检测液的消耗和能源的消耗,而且更加符合当下社会绿色低碳的环保思想,将会成为未来分析实验的主流分析平台。由于所需要的剂量小,微流控芯片能够节约产品成本并保障了安全性。

微流控技术应用范围广,已涉入基因分析、蛋白质分析和细胞生物学等领域。在基因分析领域方面,主要有① PCR 微流控芯片技术,② DNA 微流控芯片测序技术,③ POCT 微流控芯片核酸检验。在蛋白质分析领域,主要有①免疫分析,②酶学分析,③蛋白质组学研究。在细胞生物学方面,主要有① POCT 微流控细胞计数与检测,②微流控芯片仿生实验室。另外在药学领域,器官芯片也将部分替代小鼠等模型动物,用于验证候选药物,开展药理和毒理作用研究。

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