第十三节 微流控技术

微流控技术（microfluidics）是指在微米级结构中操控极微量体积流体（10-18~10-9L）的新型交叉学科，具有微型化、集成化等特征。微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室（lab-on-achip）或微全分析系统（micro total analysis systems，μTAS）。它是一种在一块几平方厘米的芯片上构建的生物或化学实验室，把生物和化学领域中所涉及的反应、分离、细胞培养、分选等基本操作单元分别作成微米量级的构件，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能。

一、微流控技术的发展

从微流控技术的发展历史上看，这一技术的孕育和发展具有一定的必然性。科研市场和医疗的需求，加上在微电子领域的相关加工技术日渐成熟，催生了微流控技术并加速了它的发展。1979年，斯坦福大学的Terry等人利用微加工手段，在一片硅晶片上蚀刻出了微细的管道，用作气相色谱的色谱柱，进行微量气体分离分析的研究，这个器件可能是第一个现代意义上的微流控装置。但是由于技术等因素的制约，这种芯片并未引起足够广泛的重视。随后，微流控技术的发展进入了相对迟滞的时期。直到1990年，Manz等人提出微全分析系统（micro total analysis system，μTAS）的概念，微流控芯片进入快速发展时期。Manz和Harrison等进行了深入合作，开展了一系列早期芯片毛细管电泳的开拓性研究工作。这一时期，绝大多数芯片都是在硅和玻璃基底上制备的，直接借鉴微电子领域成熟的硅基微加工技术。1998年，Whitesides GM提出了软蚀刻（soft lithography）技术的概念，从此宣告微流控芯片进入了以弹性材料聚二甲基硅氧烷（poly dimethlysiloxane，PDMS）为关键材料的时代，微流控芯片技术又进入了新一阶段的快速发展时期。2000年，Quake SR等在加州理工学院提出了一种基于PDMS材料的多层软蚀刻技术（multilayer soft lithography）制作新型的气动微阀和微泵的概念。2002年10月，Quake研究组正式应用气动微阀技术以“大规模集成微流控芯片”为题在美国《科学》杂志上发表文章，介绍集成了上千个微阀和反应器的微流控芯片，标志着芯片从简单的电泳分离到大规模集成化的技术飞跃。如今微流控芯片已经成为涵盖了分离分析、化学合成、实验诊断学、细胞生物学、神经生物学、系统生物学、结构生物学、微生物学等一系列应用研究领域的综合性交叉学科。

二、微流控芯片

微流控芯片（microfluidic chip）亦称微反应器，是芯片实验室的核心。通常所说的微反应器是指在制造技术上至少部分采用了微技术或超精密加工技术，其内部结构（如流道）的特征尺寸在亚微米与亚毫米之间。广义上的微反应器是指以反应为主要目的，以一个或多个微反应器为主，同时还可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置以及微传感器和微执行器等关键组件的微反应系统。

（一）结构

微流控芯片在结构上常采用一种层次结构方式（hierarchic manner），它先以亚单元（subunit）形成单元（unit），再以单元来形成更大的单元，以此类推。这种特点与传统的自动生化分析仪有所不同，它便于微反应器以数增放大（numbering-up）的方式（而不是传统的尺度放大方式）来对生产规模进行方便的扩大和灵活的调节。图2-48是微流控芯片的层次结构图，其中最小的部分常被称为微结构（microsturcture），多为槽形通道（channel）；当这些微结构以不同的方式（多为交错形式）排列起来，加上周围的进出口，就构成了微部件（element）；微部件和管线相连，再加上支撑部分，就构成了微单元（unit）；为了增加流量，微单元经常采用堆叠形式，尤其是在气相反应器中；当用器室把微单元封闭起来时，就构成了微装置（device），它是微反应系统中可独立操作的最小单元，有时一个密闭器室内会有几种不同的微单元，从而构成一种复合微装置（component）；把微装置串联、并联或混联起来，就构成了微系统。

（二）制作

微反应器的制作就是在工艺计算、结构设计和强度校核以后，选择适宜的材料和加工方法，制备出微结构和微部件，然后再选择合适的连接方式，将其组装成微单元、微装置和微系统，最后通过试验验证其效果。如不能满足预期要求，则须重来。

1.材料的选择

取决于介质和工况等因素，如介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力等，且影响着加工方法的选取，因为对于不同材料而言其加工方法也不同。另一方面，加工方法又反过来影响材料的选择，比如因为精度或安全要求而必须采用某一种加工方法时，就须采用与此加工方法相适宜的材料。常用的材料有硅、不锈钢、玻璃和陶瓷，近年来塑料和聚合物等材料在光刻电镀和压模成型加工（lithographie galvanoformung abformung，LIGA）出现以后，也在微反应器中得到了越来越广泛的应用。

2.微加工技术（microfabrication technique）

微反应器常用加工技术大体可分为三类：一是由IC（集成电路）平面制作工艺延伸而来的硅体微加工技术；二是超精密加工技术；三是LIAG工艺。复杂的微反应器往往需要综合使用多种材料和加工方法。

3.连接技术

微反应器中常用的连接方法有键合、高能束焊接、扩散焊接和粘接。键合是硅及玻璃制作微反应器的主要连接方法，常用的有硅热键合（silicon fusion bonding）和阳极键合（anodic bonding）。高能束焊接分为激光焊接和电子束焊接，常用于微反应器中金属薄片之间的密封连接。扩散焊接（diffusion bonding）是压焊的一种，它是指在高温和压力的作用下，将被连接表面相互靠近和挤压，致使局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成一个整体的连接方法。粘接法在微反应器中常用于异种材料的连接，是一种简便廉价的方法，但不适于温度太高的场合。

三、微流控检测技术

芯片实验室主要有4种检测模式：激光诱导荧光检测（laser-induced fluorescene，LIF）、质谱检测（mass spectrometry，MS）、电化学检测（electrochemical，EC）以及较为简单的光学检测。激光诱导荧光检测尽管灵敏度很高，甚至可以达到单分子检测水平，但只有部分化合物经激光激发后自身能发出荧光，且检测设备价格昂贵，限制了其应用范围；质谱检测法的瓶颈在于质谱仪与芯片实验室的接口问题，所以它主要应用于对物质结构分析要求比较高的领域；而光学检测和电化学检测则具有无需监测器探头与微芯片基底接触的优点，检测时不受光程和样品浊度影响，其灵敏度高、选择性好、成本低，而且其制作工艺与目前的微反应器技术兼容，目前应用最为广泛。

四、临床生化检验中的应用

（一）微芯片电泳技术

微芯片电泳（microchip electrophoresis）是将传统毛细管电泳（CE）技术与微流控芯片相结合的一种分离分析技术。它以刻蚀在芯片上的纤细管道为分离通道，以高压直流电场为驱动力，是毛细管电泳技术的重大技术延伸。具有微系统体积小、检测效率高、时间短、耐用性好、成本低廉、可以在一块微芯片上实现多路并行检测等优势。

采用石英玻璃等材料制作毛细管电泳芯片，散热快，可承受的分离电压高，缩短分离时间并提高分离效率；且石英玻璃材料有较小的紫外吸收，便于利用紫外蛋白吸光度分析法来检测各类蛋白质。如图2-49为微芯片电泳装置，包括十字、双T型管道，管道及缓冲液池、样品池、废液池、样品废液池等结构。主要用于体液中各种蛋白质的检测和分析。

（二）分离小分子和离子

微流控芯片可用于检测氨基酸、葡萄糖、尿酸、锂等离子。

（三）检测基因突变

使用微流控技术不仅可以检测单个碱基的基因突变，也可以同时检测多个碱基的基因突变。例如已经采用微流控芯片检测循环肿瘤细胞的基因突变。

（徐克前）