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閱讀：438發(fā)布時(shí)間：2016-9-1
高密度集成的微流控芯片裝置可以實(shí)現(xiàn)高通量并行化的實(shí)驗(yàn)以及多種操作單元的功能一體化，作為一種新的方法學(xué)平臺，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于化學(xué)和生命科學(xué)的研究中。單元操作主要包括進(jìn)樣、樣品處理、混合、反應(yīng)及分離等。
一、進(jìn)樣及樣品前處理單元
利用芯片平臺處理樣品，需要將樣品引入芯片的樣品處理通道或通道網(wǎng)絡(luò)，該步驟通常稱為進(jìn)樣。進(jìn)樣通常又可分為上樣和取樣兩個(gè)步驟。芯片實(shí)驗(yàn)室處理的對象是流體，液態(tài)樣品進(jìn)樣是芯片進(jìn)樣的主流，實(shí)際操作中主要有向樣品處理通道內(nèi)引入樣品區(qū)帶、引入樣品液滴和引入持續(xù)樣品流3種情形。區(qū)帶進(jìn)樣又分為單通道輔助進(jìn)樣、多通道輔助進(jìn)樣和激光輔助進(jìn)樣。
在常規(guī)操作中，樣品往往需要預(yù)處理，再引入其它操作單元。將這些預(yù)處理操作移植到芯片上，可使芯片具有直接處理實(shí)際樣品的能力。減小耗樣量是使芯片實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的必要條件。芯片樣品預(yù)處理操作往往涉及多種試劑、多個(gè)步驟和復(fù)雜微通道網(wǎng)絡(luò)，芯片樣品預(yù)處理單元同時(shí)要與外部樣品源和后續(xù)樣品處理單元偶聯(lián)。 因此，芯片樣品預(yù)處理具有技術(shù)含量高、操作難度大等特點(diǎn)，但蘊(yùn)含的技術(shù)增長點(diǎn)多。常見的芯片預(yù)處理操作有萃取、過濾、膜分離、等速電泳和場放大堆積等，其中固相萃取的富集倍數(shù)有時(shí)可達(dá)103，并且較易在芯片上實(shí)現(xiàn)， 是芯片平臺上zui重要的樣品處理技術(shù)之一。
二、微混合和微反應(yīng)單元
混合是一個(gè)物理過程，其目的是實(shí)現(xiàn)參與過程的不同組分的均一分布。溶質(zhì)混合有兩種機(jī)理：一種為對流傳質(zhì)，另一種為擴(kuò)散傳質(zhì)。微芯片混合技術(shù)具有以下特點(diǎn)：① 混合效率高，時(shí)間短，能耗少；② 易于控制，傳質(zhì)及傳熱性能好；③ 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，容易與其它功能單元集成。根據(jù)輸入能量的不同，將微混合器分為被動式和主動式兩類。被動式微混合器單純地利用幾何形狀或流體特性產(chǎn)生混合效果，除驅(qū)動流體流動的壓力、電滲驅(qū)動等，混合不借助于其它外力，混合器中也不含任何可移動部件，由此又可分為并行迭片、串聯(lián)迭片、混沌對流和液滴微混合器等。而主動式微混合器則借助磁力、電場力及聲場等外力實(shí)現(xiàn)混合。
微芯片反應(yīng)技術(shù)是一種將微結(jié)構(gòu)的內(nèi)在優(yōu)勢應(yīng)用到化學(xué)反應(yīng)過程的技術(shù)，體現(xiàn)這種技術(shù)的設(shè)備或器件被稱為微反應(yīng)器。微反應(yīng)器是一種單元反應(yīng)界面尺度為微米量級的微型化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。它的基本特征是線性尺寸小、物理量梯度高、表面積/體積比大以及流動為低雷諾數(shù)層流，其優(yōu)點(diǎn)是可通過并行單元來實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)、規(guī)模放大、快速和高通量篩選等，與常規(guī)反應(yīng)器相比，微流控芯片反應(yīng)器傳質(zhì)傳熱較快，反應(yīng)條件（如溫度、pH值等）易控制。如正電子發(fā)射斷層掃描診斷中重要的放射性顯像藥物18氟-2-脫氧葡萄糖的半衰期為110 min，其常規(guī)合成需由訓(xùn)練有素的工作人員使用特殊設(shè)備花費(fèi)幾十分鐘。采用集成大量微閥和微泵的微流控芯片（圖1），將合成中的氟化物富集、脫水、標(biāo)記、脫乙腈、水解五步反應(yīng)高度集成在微流控芯片上，使合成僅需14 min，產(chǎn)物可直接注射入小鼠體內(nèi)，從而得到腫瘤分布的清晰圖像。
圖1. 放射性藥物合成所用微芯片示意圖[9]
三、微分離單元
早期的微流控芯片是一種集成化的微分離器件，在芯片上進(jìn)行電泳的研究仍然是微流控領(lǐng)域的主流之一，而電泳分離占有極為特殊的地位。需要強(qiáng)調(diào)的是，微流控芯片所涉及的分離只是芯片眾多功能操作單元中的一種，盡管很多時(shí)候它還會被單獨(dú)使用。
介電泳技術(shù)可作為前置過濾（或分離）技術(shù)，集成在其它檢測系統(tǒng)中來提高檢測的靈敏度。Lapizco-Encinas等采用傳統(tǒng)的刻燭微加工方法，在玻璃片上加工出多個(gè)絕緣柱，利用絕緣直流介電泳同時(shí)實(shí)現(xiàn)活體和死亡細(xì)菌的富集以及分離。由于經(jīng)加熱致死的大腸桿菌的電導(dǎo)率比活體大腸桿菌大，受到的負(fù)介電泳力則較小，因此通過施加不同的電壓，可首先實(shí)現(xiàn)活體大腸桿菌的捕集。隨著電壓的增加，可繼而捕集死亡的大腸桿菌。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)樣品高達(dá)3000倍富集，分離效率為100%。Pysher和Hayes在PDMS微流控芯片上加工出尺寸規(guī)律變化的鋸齒狀微結(jié)構(gòu)。當(dāng)在通道兩端施加直流電后，會在鋸齒處產(chǎn)生不均勻電場，電場強(qiáng)度在樣品流動方向上規(guī)律性變化。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可同時(shí)使樣品受三種電動力的作用：電泳力、電滲流拖拽力和介電泳力。當(dāng)這三個(gè)力在生物體運(yùn)動方向平衡時(shí)，生物體就會被捕集在鋸齒附近；當(dāng)介電泳力較小時(shí)，生物體則會在電泳和電滲流作用下隨溶液流走。由于同樣電場強(qiáng)度條件下，活體生物與死亡的生物體因所受介電泳力不同，從而實(shí)現(xiàn)在通道的不同位置分別收集活體和死亡的枯草桿菌、大腸桿菌和表皮葡萄球菌（S.epidermidis）。
介電泳技術(shù)實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌和病毒的分離和定量研究。Balasubramanian采用微流控芯片裝置，實(shí)現(xiàn)了自來水中目標(biāo)細(xì)菌的捕集。該研究使用大腸打菌、沙門氏菌（Salmonella）和海洋細(xì)菌（Pseudomonas sp）以及兩種病毒來評價(jià)裝置的工作性能。研究結(jié)果表明：在電場強(qiáng)度分別為67 V/cm和 84V/cm條件下，可分別得到90%和99%的捕集效率。
Cheng報(bào)道了基于三維AC-DEP和表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)原理的病原體檢測微流體芯片裝置。該裝置集樣品過濾、聚焦、分選、捕集和檢測功能于一體，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種病原體的檢測。在通道zui左端布設(shè)多條平行電極，用以濾除受正向介電泳力的雜質(zhì)顆粒，而受負(fù)向介電泳力的顆粒則順利流向樣品聚焦區(qū)域。在聚焦區(qū)域，電極布設(shè)成錐形，顆粒在負(fù)向介電泳力的作用下，被聚焦在通道的中心；在樣品分選區(qū)域有三個(gè)傾斜的電極，用以引導(dǎo)顆粒進(jìn)入不同的分選通道。在各個(gè)分選通道末端設(shè)有電極，用于濃縮樣品。研究者釆用該芯片裝置成功實(shí)現(xiàn)了乳酸桿菌（Lactobacillus）和大腸桿菌混合樣品的分離以及Gram-(+) S. aureus和Gram-(-) P. aeruginosa的區(qū)分檢測。
基于Sanger末端中止法的陣列毛細(xì)管電泳是*代DNA測序儀所采用的主流技術(shù)。基于微流控芯片大規(guī)模集成的特點(diǎn)，加州大學(xué)伯克利分校的Mathies等設(shè)計(jì)了一種96通道微陣列電泳微流控芯片，使高通量的DNA 測序*次得以在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)。該芯片采用了轉(zhuǎn)角蜿蜒設(shè)計(jì)，有效分離管道的長度16cm，增加了一次電泳分析的可讀片斷長度，極大地提高了分析的通量。
國哈佛醫(yī)學(xué)院的Toner課題組在微流控芯片上從未經(jīng)任何處理的全血中分離出了循環(huán)腫瘤細(xì)胞（circulating tumor cell）。該芯片采用硅基片，加工出了密集的微立柱，用表面化學(xué)的方法在硅基片上修飾了腫瘤細(xì)胞抗體EpCAM。當(dāng)全血流經(jīng)芯片時(shí)，由于細(xì)胞與基底的結(jié)合力使循環(huán)腫瘤細(xì)胞被分離出來以便進(jìn)一步檢測。
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