1.什么是微流控層流技術(shù)？

基于微型通道自身的層流特點(diǎn)而發(fā)展起來的多相層流技術(shù) , 從最初的液-液微萃取開始 ,由于其結(jié)構(gòu)加工簡單、操作方便和分析功能強(qiáng)大 ,已逐漸發(fā)展成為一種加工分析方法 ,為微流控分析的研究應(yīng)用打開了一個(gè)嶄新的局面。

自從微全分析系統(tǒng)的概念提出以來 , 由于微流控芯片分析本身具有試樣消耗少、分析時(shí)間短、效率高、尺寸小、集成度高和便攜等優(yōu)點(diǎn) ,在短短的 10 余年中就已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)前世界上最前沿的科技領(lǐng)域之一。

其中微流控芯片是1990年代初中期在分析化學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新型的分析科學(xué)。該門學(xué)科以分析化學(xué)為理論基礎(chǔ) , 結(jié)合微機(jī)電 (micro electrical mechanical systems , MEMS) 加工技術(shù)方法 , 主要以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征 , 被廣泛應(yīng)用于分離 分析、生物科學(xué)和生命醫(yī)學(xué)研究等眾多領(lǐng)域 , 是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。基于微通道的特點(diǎn)而發(fā)展起來的多相層流技術(shù)分析方法 , 由于其結(jié)構(gòu)加工簡單、操作方便易行、分析功能強(qiáng)大和應(yīng) 用前景廣泛等優(yōu)勢而得到人們的普遍關(guān)注。目前 , 已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道采用層流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微流控芯片通道的加工制作 , 如液-液萃取、過濾和無膜擴(kuò)散、聚合物薄膜的制備、納米材料的制備、細(xì)胞的研究和有機(jī)反應(yīng)的控制檢測等。不可否認(rèn) , 多相層流分離微流控系統(tǒng)為微全分析系統(tǒng)的研究應(yīng)用打開了一個(gè)嶄新的局面 , 在微芯片上實(shí)現(xiàn)樣品采集和預(yù)處理、試劑分離提純、在線檢測和數(shù)據(jù)采集一體化起到了重要作用。隨著其自身理論的不斷完善和發(fā)展微流控層流技術(shù)必將在未來的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

2.微流控層流技術(shù)原理

雷諾實(shí)驗(yàn)表明 , 流體的流動狀況不僅與流體的流速 u 有關(guān) , 而且與流體的密度ρ、粘度 μ和流體通道的幾何尺寸(如圓形管道的管徑 d) 有關(guān)。由此得到 Re = duρΠμ, 其中 Re 即為雷諾數(shù) ,用以判斷流體的流動型態(tài) :該式表明雷諾數(shù)與管徑、流體流速、 流體密度成正比 , 與流體的粘度成反比 , 其實(shí)質(zhì)反映了流體流動中慣性力與粘滯力的對比關(guān)系。流體的流動型態(tài)根據(jù)雷諾數(shù) Re 的大小可以分為層流和 湍流兩種型態(tài)。當(dāng)流體流速較小時(shí) , 流體質(zhì)點(diǎn)只能 沿流動方向做一維運(yùn)動 , 與其周圍的流體間無宏觀 的混合 , 即分層流動 , 而且流體的流速穩(wěn)定 ,這種 流動型態(tài)即為層流 ;當(dāng)流體流速增大到某個(gè)值后 , 流體質(zhì)點(diǎn)除流動方向上的運(yùn)動之外 , 還向其它方向 做隨機(jī)運(yùn)動 , 即存在流體質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則脈動 , 彼此混合即為湍流。當(dāng)慣性力占主導(dǎo)地位時(shí) , Re 較大 , 湍流程度較大 ;當(dāng)粘滯力占主導(dǎo)地位時(shí) , 則 Re 較小 , 將抑制流體的湍動 , 以層流為主。一般劃分 標(biāo)準(zhǔn)為 : 當(dāng) Re < 2000時(shí) , 流體流型為層流 ; 當(dāng) 2000 < Re < 4000時(shí) , 流體流型受外界條件的影響 , 有時(shí)為層流 , 有時(shí)為湍流 ; 當(dāng) Re > 4000時(shí) , 流體流型為湍流。

典型的微流控通道結(jié)構(gòu)需要樣品和試劑量在 100 nl 和 10μl 之間 , 甚至更少 ,微流控通道的直徑 范圍在幾十到幾百微米。根據(jù) Re = duρΠμ可知 , 在 微流控通道中流體的流速越低 , 試劑的粘度越大 , 則流體的 Re 越小?；谖⑿酒贤ǖ赖某叽缣攸c(diǎn) 可以了解到流體在通道內(nèi)均呈現(xiàn)層流特性。因此 , 當(dāng)兩種或更多不同試劑流同時(shí)流入同一通道 中 , 各試劑流能夠同時(shí)保持自身的流型不變而只在相與相的接觸界面上發(fā)生反應(yīng)或分子擴(kuò)散現(xiàn)象 ,并且具有較高的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。大量的文獻(xiàn)報(bào)道了 根據(jù)微型通道內(nèi)的層流特點(diǎn)的應(yīng)用研究工作。根據(jù)這一基本原理 , 多相層流微流控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

3.微流控層流研究與應(yīng)用

①層流界面之間的分子擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移現(xiàn)象及應(yīng)用

萃取是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一項(xiàng)最基本的操作之一 , 主要是體現(xiàn)在兩個(gè)不同液相界面上的分子的擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移。由于微芯片上的微型化通道具有較大的比表面積和較小的擴(kuò)散距離等優(yōu)點(diǎn) , 微通道內(nèi)的萃取操作 具有試劑消耗量極少、擴(kuò)散時(shí)間短和分析速度快等 優(yōu)勢 ,從而實(shí)現(xiàn)在不用任何機(jī)械攪拌、混合、震蕩的條件下完成高速高效的分離分析。還可以針對不同 的需求設(shè)計(jì)出不同的微通道模型 ,如單一的“H”型、 “Y”型、“T”型 ,以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)型、二維通道、三維 通道等。在生命科學(xué)研究 ,尤其是在貴重試劑的制備和分析檢測等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前 ,在這方面的研究已經(jīng)取得了很大成功。 Yager 等根據(jù)兩相界面間的分子、離子的擴(kuò)散來研究 H + 的過濾[15 ]在微流控芯片上完成了 Ni2 + 從水溶液中向氯仿中的萃取 ;在多相層流微流控芯片上實(shí) 現(xiàn)無機(jī)相和有機(jī)相界面間 Co2 + 的分離分析等。 Tokeshi 等也利用微型注射泵有效地控制有機(jī)相和水相的流速從而保證在微通道中形成穩(wěn)定的層流 , 將 Fe2 + 從水相中萃取到有機(jī)相中。在溶液中加入染色示蹤試劑 ,根據(jù)染色劑流向可以觀察到 Fe2 + 從水相萃取到有機(jī)相的全過程 ;通過變換實(shí)驗(yàn)條件 , 分別檢測不同濃度的標(biāo)準(zhǔn) Fe2 + 溶液 ,根據(jù)得到的數(shù)據(jù)作出標(biāo)準(zhǔn)曲線圖 ,就可以進(jìn)行定量的在線檢測。 Zhao 等 利用層流技術(shù)結(jié)合逆流進(jìn)樣的方法實(shí)現(xiàn)了兩種不溶相之間的萃取操作 ,該方法使兩相界面之間接觸更加充分 ,萃取更加完全。方群等在液-液萃取 ,微孔膜萃取和液-液萃取與氣相色譜聯(lián)用等方面的研究也都取得顯著的成績 ,實(shí)現(xiàn)了層流 分離對溶液中 K + 的提取和在線電化學(xué)檢測。

隨著這一基本操作的日趨成熟和完善 , 這種技術(shù)方法已經(jīng)被進(jìn)一步應(yīng)用到有機(jī)合成反應(yīng)的研究 , 尤其是貴重、難以制備的試劑間的反應(yīng) , 以及反應(yīng)速率的控制與檢測等眾多領(lǐng)域。應(yīng)用層流連續(xù)平行流的特點(diǎn) , 通過有效地控制微型通道的長度來控制反應(yīng)時(shí)間 , 使反應(yīng)能夠穩(wěn)定進(jìn)行并且盡量提高反應(yīng)產(chǎn)率。層流分析技術(shù)將芯片分析與質(zhì)譜分析或氣相 色譜分析聯(lián)用 ,大大節(jié)約了分析成本 ,已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。在生物醫(yī)學(xué)方面也利用層流技術(shù)對脂肪層生物蛋白質(zhì)進(jìn)行了立體性選擇分離和提純等分析操作, 采用計(jì)算機(jī)模擬的方法根據(jù)復(fù)雜的微通道網(wǎng)絡(luò)中的溶液與示蹤染料的混合流向 , 計(jì)算分析得到了微芯片通道選擇分析的最佳流體流向途徑和最優(yōu)化數(shù)據(jù)。

隨著層流在萃取等方面的研究應(yīng)用 , 其檢測技術(shù)也有了進(jìn)一步的發(fā)展提高。目前 , 在層流萃取分析方面應(yīng)用了在線照相(photograph) 檢測技術(shù) , 能夠準(zhǔn)確直觀地觀測分析的整個(gè)過程。某文獻(xiàn)報(bào)道了應(yīng)用準(zhǔn)彈性激光散射檢測方法 ( quasi2elastic laser scattering ,QELS) 分析層流過程中水相Π有機(jī)相界面間金屬鰲合物的萃取現(xiàn)象。在這種方法中不必用探測示蹤原子或分子 , 檢測簡單準(zhǔn)確, 可以適用于溶液的溶解、混合、萃取等研究領(lǐng)域。

②層流界面間的化學(xué)反應(yīng)及其應(yīng)用

由于層流一維流體的特點(diǎn) , 在接觸界面間可以保持自身穩(wěn)定的流型不受破壞 , 如若控制流體的流 速則可以有效控制相界面間粒子擴(kuò)散的程度?；趯恿鞯倪@種特性可以在通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)試劑混合、聚合反應(yīng)、催化反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、合成反應(yīng)以及與之相關(guān)的反應(yīng)速率控制 , 反應(yīng)過程的在線觀測和反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)一步檢測和應(yīng)用等。

微通道內(nèi)的雙相或者多相層流體系可以實(shí)現(xiàn)試劑特別是貴重的或者難以制備的試樣的混合 , 得到的混合溶液濃度和 pH 值等性質(zhì)都具有很高的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。這種方法尤其適用于生物科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)方面的研究 , 實(shí)現(xiàn)采樣、試樣預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng) 和分析檢測一體化。微芯片分析本身對試劑消耗量 僅為納升級 , 因此可以有效地節(jié)省在轉(zhuǎn)移、分析和存貯過程中的試劑損耗。例 如 , Hosokawa 等設(shè)計(jì)出一種微型的試劑混合器 , 這種裝置將 4 個(gè)疏水性微型毛細(xì)管和1個(gè)微通道連接在一起 , 通過調(diào)節(jié)毛細(xì)管中氣體的壓力 , 使得微通道中兩相流體在氣壓的作用下混合完全 , 該體系尤其適用于微量和痕量分析。Manz 小組也根據(jù)微通道內(nèi)平行層流的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)微型試樣混合器 , 這個(gè)芯片由玻璃Π硅片Π玻璃三層結(jié)構(gòu)組成 , 其尺寸大小為 5 ×10 ×2 mm ,該微通道的內(nèi)存容量僅為 600 nl。為了檢驗(yàn)該微通道的試劑混合性能 ,將熒光素和羅丹 明作為兩相待混合流體通過進(jìn)樣口的多組毛細(xì)管流入同一微通道內(nèi) , 可以觀察到多組層流在通道內(nèi)逐 漸混合為一體的過程 , 同時(shí)可以檢測到整個(gè)試劑混合過程花費(fèi)的時(shí)間僅僅為毫秒級。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測定 ,這個(gè)微型混合器適用的流體流量范圍非常廣泛 , 1 —200 μlΠmin 的流體流量溶液都可以達(dá)到很好的混合。

在整個(gè)合成反應(yīng)中 , 試樣的混合、加熱和冷卻是一個(gè)關(guān)鍵的整體步驟。由于容器自身的特點(diǎn) , 在容器中的反應(yīng)經(jīng)常是首先在局部發(fā)生 , 從而產(chǎn)生一些不必要的誤差并且反應(yīng)效率也會受到影響。微通道具有較高的比表面積 , 而且對溫度的控制很容易實(shí)現(xiàn) , 通過電熱塊加熱控溫可以形成較好的溫度梯 度 , 有利于反應(yīng)速率的控制。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)型微通道設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)試樣在線混合、檢測以及反應(yīng)的 控制等操作。多種試劑從不同進(jìn)樣口進(jìn)入同一微通道內(nèi) , 在網(wǎng)絡(luò)型微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)試樣的充分混合 , 使反應(yīng)進(jìn)行完全。

應(yīng)用層流間兩相的聚合反應(yīng)在微通道內(nèi)形成聚合物薄膜 , 將微通道分為兩個(gè)獨(dú)立通道 , 通過這層 聚合物薄膜可以實(shí)現(xiàn)不同流相中粒子的選擇分離提 取 , 這也是層流分析的重要應(yīng)用之一。Hisamoto 等 就曾經(jīng)提出由于微通道具有較大的比表面積 , 可以通過有機(jī)相Π水相兩層流 , 有機(jī)相Π水相Π有機(jī)相 三層流界面間的聚合反應(yīng) , 在通道內(nèi)部形成平行的尼龍聚合物薄膜結(jié)構(gòu)(如圖 1 所示) , 并且應(yīng)用這種通道內(nèi)薄膜實(shí)現(xiàn)了 NH+ 4 的滲透分離和聚合物薄膜的表面酶化。Peterson 等也報(bào)道了相似的在微通道內(nèi)形成聚合物薄膜的加工方法。Kitamori等利用層流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在直徑250μm的微通道內(nèi)水相 和有機(jī)相之間的化學(xué)合成反應(yīng)。3 , 52二硝基氯苯作為有機(jī)相 ,和水相中的 DL212苯乙胺發(fā)生化學(xué)反應(yīng) , 該實(shí)驗(yàn)表明層流界面之間的比表面積很大 , 使反應(yīng)物之間可以充分接觸 , 因此與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置相比較在微通道內(nèi)進(jìn)行的一些反應(yīng)的產(chǎn)率較高。

圖 1 在 X型微通道內(nèi)有機(jī)相Π水相界面間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成聚合物薄膜

另外 , 由于聚合物薄膜本身具有彈性 , 可以通過這種薄膜的平行穩(wěn)定特性來控制通入通道內(nèi)的液 體或氣體的流速或流量 , 以保證液Π液 , 液Π氣相對 穩(wěn)定的流速和流量比率 ;還可用生化酶實(shí)現(xiàn)尼龍薄 膜的表面改性 , 使聚合物薄膜具有選擇性滲透、吸附的作用。根據(jù)這種層流反應(yīng)可以在通道內(nèi)形成多層平行的聚合物薄膜 , 用不同種類的生化酶分別對通道內(nèi)形成的這種平行多層薄膜進(jìn)行表面改性修飾 , 就可以實(shí)現(xiàn)多相平行分析檢測。根據(jù)同樣的原理 , 將催化劑有效沉積在薄膜的表面 , 可增大催化材料的比表面積 , 從而加快通道內(nèi)相匹配的催化反應(yīng)的速率。

利用層流界面之間的氧化還原反應(yīng) , 將金屬絲沉積在微芯片通道內(nèi) , 可以用作電極 , 將電化學(xué)檢測系統(tǒng)建立在微芯片上 , 實(shí)現(xiàn)微芯片上電化學(xué)檢測 與分離分析的集成化 , 應(yīng)用在微反應(yīng)器、微型傳感器中。Kenis 等利用微通道界面間的還原反應(yīng)將 金屬 Ag 還原沉積到通道表面 , 形成一條精細(xì)的金 屬線。用作 Ag 電極 , 有利于芯片的集成化。利用相同的原理可將其它金屬與芯片結(jié)合 , 加工制作成微反應(yīng)器或微型傳感器的敏感元件。這種加工方法對試劑的消耗量極少 , 因此更有利于一些貴重的稀有金屬如鈀、鉑等在微流控體系中的制備與加工。

③層流在制備納米材料方面的應(yīng)用

隨著納米材料科學(xué)的快速發(fā)展 ,許多制作納米材料的方法已經(jīng)被開發(fā)出來, 如固定的沸石微反應(yīng)器和多孔硅質(zhì)微反應(yīng)體系等。但是這些加工方法本身的生產(chǎn)成本較高 , 難以得到普及應(yīng)用。目前 , 某文獻(xiàn)報(bào)道了根據(jù)微通道內(nèi)多相層流現(xiàn)象 , 即在不同相界面間發(fā)生反應(yīng)和分子擴(kuò)散這一特點(diǎn) , 實(shí)現(xiàn)了通過控制反應(yīng)流體的流速和粘滯力的大小控制反應(yīng)產(chǎn)物顆粒的大小。Kenis 等提出使 NaHCO3 、CaCl2 和 KH2PO4三種溶液平行通入微通道內(nèi)發(fā)生反應(yīng)生成 CaCO3 顆粒沉淀 , 如圖 2 所示。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了層流反應(yīng)形成微小顆粒的可行性。同 時(shí) , 通過有效合理地控制流體的流速以控制在相界面上發(fā)生連續(xù)反應(yīng)的速度 , 可以間接調(diào)節(jié)控制生成的沉淀顆粒大小 , 為納米材料的制備開拓了一個(gè)新的局面。Wang 等 利用層流反應(yīng)生成的二氧化鈦沉淀顆粒就達(dá)到納米級 ,甚至小于 10nm。應(yīng)用這種方法反應(yīng)生成催化劑微型顆粒并且將其有效地沉積在通道內(nèi)表面 , 可以用來實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)的催化反應(yīng)。 如圖 3 所示 , 利用層流反應(yīng)和溶膠2凝膠過程在微通道內(nèi)壁固定一層納米級生化酶 , 從而形成一個(gè)生化酶固化微通道反應(yīng)器 , 具有廣泛的應(yīng)用 。除此之外 , 一些貴重金屬催化劑和有機(jī)催化劑也可以通 過這種方法制備到微型反應(yīng)器中 , 從而加速并控制通道內(nèi)反應(yīng)的反應(yīng)速率。這種方法同樣也適用于生 物大分子和蛋白質(zhì)分子形態(tài)的控制 , 例如應(yīng)用層流定位觀察控制神經(jīng)細(xì)胞的生長過程。

圖 2 在微通道內(nèi)由 NaHCO3 , CaCl2 和 KH2 PO4 三相流體形成的兩層界面之間發(fā)生沉淀反應(yīng)形成方解石和磷灰石顆粒的過程

④微流控層流刻蝕加工技術(shù)

多相層流微流控體系也發(fā)展并完善了微芯片的加工技術(shù)。普遍被應(yīng)用的微芯片的加工技術(shù)是光蝕刻和軟蝕刻兩種 , 但是這兩種方法的精密度較低、 制作工序復(fù)雜 , 而層流蝕刻的發(fā)展則有效補(bǔ)充了前兩種制作方法的這些不足。如微型 印刷術(shù) (microprint) 、在毛細(xì)管內(nèi)的微型模板技術(shù)和可復(fù)制模板技術(shù)等 ,比傳統(tǒng)的加工方法更加簡便易行 , 不 必經(jīng)過復(fù)雜的封合步驟 , 并且有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多維通道模型的加工制作 , 從而有效地提高了芯片的集成度。最值得一提的是它可以在密封的毛細(xì)管通道內(nèi)進(jìn)一步刻蝕加工 ,提高了微芯片通道的復(fù)雜化 程度。它不僅可以應(yīng)用于玻璃芯片 (通過 KF 溶液 和 HCl 溶液的層流反應(yīng)蝕刻得到) , 而且可以應(yīng)用于聚二甲基硅烷 (polydimethylsiloxane , PDMS) 材料上 , 而這種材料更適合于生物醫(yī)學(xué)和藥物分析方面的研究。Chen 等  應(yīng)用層流技術(shù)在線得到不同濃度的光刻膠溶液 ,同時(shí)將光刻膠涂覆在 PDMS 澆注得到的三維微通道內(nèi)作為光刻掩膜 ,然后用紫外光照射。由于通道表面涂覆的光刻膠具有一定濃度梯度 ,顯影后得到的微通道也具有一定的大小梯度 ,繼而得到不同深寬比的微通道 ,可將其應(yīng)用于生物細(xì)胞分析領(lǐng)域。

在應(yīng)用微流控毛細(xì)管電泳技術(shù)分析研究細(xì)胞過程中 , 細(xì)胞的進(jìn)樣、沉積以及溶膜過程是研究的熱門課題。由于細(xì)胞本身多帶有電荷 ,因此一般采用夾流進(jìn)樣的方法 , 通過控制電流的方向和大小 ,從而使得細(xì)胞貼壁沉積 , 然后溶膜。這種技術(shù)方法要 實(shí)驗(yàn)技術(shù)較高并且電滲流會影響分析的過程和結(jié)果。而應(yīng)用層流刻蝕的方法加工制作微芯片 , 使得通道內(nèi)部可以提供與細(xì)胞尺寸相當(dāng)?shù)亩ㄎ稽c(diǎn) , 從而有效控制細(xì)胞 ,實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的進(jìn)一步分析檢測。 如圖4所示 ,采用層流刻蝕技術(shù) ,通過控制流體的流量大小 ,按照微通道加工需要 ,調(diào)節(jié)蝕刻劑和非蝕刻 劑流量比率 ,就可以在通道內(nèi)蝕刻出細(xì)胞大小的凹槽等需要的通道形式 , 以便于細(xì)胞的沉積和分析等。

目前 , 層流刻蝕形成的芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)分析和藥物合成領(lǐng)域 , 加快了化學(xué)生物分析技術(shù)的發(fā)展。層流刻蝕通過控制流速和流體粘度 來控制通道的內(nèi)徑與細(xì)胞生物大分子的大小相適應(yīng) , 從而實(shí)現(xiàn)對其的分離分析和定位分析等。

⑤微流控層流在生命醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

微通道內(nèi)的多相層流擴(kuò)散分離技術(shù)也逐漸在生命醫(yī)學(xué)方面的研究中得到廣泛應(yīng)用。兩相或多相流體形成的界面可以根據(jù)粒子如離子、蛋白質(zhì)和細(xì)胞等的大小進(jìn)行選擇擴(kuò)散。小粒子可以通過界面擴(kuò)散到相鄰相中而留下大粒子 ,從而達(dá)到不同 粒子的分離分析 , 可應(yīng)用于人血液中血清白蛋白的測定 ,血液 pH 的測定 ,血液中 K + 的測定 ,細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的提取、分離與檢測 , 以及蛋白質(zhì)的凈化等。

圖4層流刻蝕加工的結(jié)構(gòu)舉例 :a、b) 通過從進(jìn)樣通道調(diào) 節(jié)流體的流速形成不同尺寸的微通道 ;c) 在微通道內(nèi)定位 蝕刻 ;d) 7 個(gè)進(jìn)樣流體層流蝕刻而獲得的復(fù)雜結(jié)構(gòu) ;e) 同時(shí)控制刻蝕液的流速和通過時(shí)間而獲得的多層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)細(xì)胞或蛋白質(zhì)的大小不同 ,層流技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生物試樣預(yù)處理和分離提純等。例如傳統(tǒng)捕獲 精子的方法是難以操作和控制的 , 而應(yīng)用多相層流技術(shù)將試劑中的活精子和死精子以及其他大分子殘 骸分離的方法 ,既簡單又容易操作控制 , 實(shí)現(xiàn)了試樣的預(yù)處理提純 , 提高了在線檢測的分析效率。這種技術(shù)設(shè)計(jì)填補(bǔ)了臨床上針對極少量精液試劑的分析設(shè)置。而且由于其小巧簡單 ,因此也同樣適用于家庭化檢測。Jandik 等根據(jù)生物分子的重量不同 ,在“H”型微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了抗生素的預(yù)處理工作 , 完全避免了使用離心分離機(jī)或者其它通用方法的不利影響。

一般生物分析中所選用的試樣量都是極其微量的 , 采用傳統(tǒng)的分析測定方法有較大的難度和不便 , 而采用微流控系統(tǒng)控制解決小體積貴重試劑的混合和稀釋 ,比傳統(tǒng)的溶液混合稀釋方法要操作簡單易行而且分析效率也較高。Jiang 等提出了一個(gè)微型稀釋網(wǎng)絡(luò)通道設(shè)計(jì) (microchannels microdilutor networks , μDN) , 在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)對生物抗體和抗原試樣的預(yù)處理 , 應(yīng)用微流控通道網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溶液的連續(xù)性稀釋 ,從而得到一系列不同濃度的溶液 , 并 在同一芯片上實(shí)現(xiàn)艾滋病毒 (HIV) 的在線分析檢測操作。最近 ,Whitesides 等 利用同樣的層流分析原理 ,采用螺絲作為閥門 ,控制流體流向 ,實(shí)現(xiàn)了芯片微通道內(nèi)生物免疫分析 , 成功地實(shí)現(xiàn)了對人體內(nèi)血清 IgA 和 IgG值的分析測定。相信這種方法將在臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前 景。另外 , 也有文獻(xiàn)提出網(wǎng)絡(luò)型微芯片通道的分析過程 , 即通過研究控制流體的流速 , 在通道內(nèi)以層流的方法將溶液混合稀釋而形成固定的濃度梯度特征。因此可以形成一系列具有固定濃度梯度的溶 液 ,以用于分析檢測和標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。

另外 ,根據(jù)微通道內(nèi)流體的層流特性可以實(shí)現(xiàn) 對一些生物反應(yīng)的在線檢測。一些生物反應(yīng)如細(xì)胞體的特性檢測都是在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行完全 ,而且 細(xì)胞分子體積小 ,難以控制 ,若選用常規(guī)方法觀察分 析是難以完成的。微通道內(nèi)層流具有較高的流體穩(wěn) 定性和重現(xiàn)性 ,因此更加便于芯片內(nèi)細(xì)胞反應(yīng)的觀察研究 ,實(shí)現(xiàn)“定位分析”。Takayama 等 在 PDMS和玻璃的混合芯片的微米級通道內(nèi) ,通過控制進(jìn)樣壓力實(shí)現(xiàn)了在 3 個(gè)微通道匯合處對單一細(xì)胞的分析檢測 ,并且在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞沉積和酶催化。該實(shí)驗(yàn)論證了不同蛋白質(zhì)和細(xì)胞的表面型 態(tài) ,并且解釋了酶對細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的選擇反 應(yīng)。Yamada 等在 37 —96μm 的微通道內(nèi)利用兩相層流技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大細(xì)胞的萃取分離分析。實(shí)驗(yàn)表 明 ,當(dāng)微通道的內(nèi)徑進(jìn)一步減小 ,分離效率也會有很大的提高。

3.微流控層流發(fā)展的方向

目前微流控多相層流技術(shù)已經(jīng)取得了有目共睹的成就。我們相信微流控多相層流技術(shù)將會發(fā)展得更加成熟 ,其發(fā)展前景具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 :

(1)在微流控芯片加工技術(shù)方面來看 ,充分應(yīng)用計(jì)算模擬技術(shù)設(shè)計(jì)微芯片模型 ,使得層流不再只是適合于簡單 的“T”型、“Y”型通道?？紤]到微芯片通道與傳統(tǒng)分析反應(yīng)器的區(qū)別 ,加強(qiáng)對通道的模型、尺寸以及深寬比的理論研究和對芯片通道內(nèi)壁的涂覆和化學(xué)修飾的研究應(yīng)用 ,從而有效提高微芯片通道內(nèi)的反應(yīng)穩(wěn) 定性 ,提高分析分離的靈敏度 ,延長芯片的使用壽命。另外 ,在加工材料的選擇方面 ,不僅僅是應(yīng)用光學(xué)玻璃 ,更應(yīng)擴(kuò)展對其它材料的嘗試和使用。目前有機(jī)聚 合物材料如PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate , PMMA) 和有機(jī)玻璃等的廣泛使用 ,彌補(bǔ)了玻璃作為通道載體的加工過程繁瑣 復(fù)雜、通道深寬比難以控制等不足。（汶顥股份提供PDMS芯片、PMMA芯片、玻璃芯片、紙芯片等材質(zhì)微流控芯片）

(2)在應(yīng)用的范圍上來看 ,目前層流技術(shù)還只是應(yīng)用在兩相或者三相的分析反應(yīng)上 ,層流技術(shù)在多相平行分析方面的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步提高。這就對微芯片通道的加工設(shè)計(jì)提出了新的要求。層流技 術(shù)的應(yīng)用將不會只是局限于二維通道 ,而是會被廣泛應(yīng)用于PDMS等材料制備的三維芯片上。相信立體化、多樣化的微芯片通道將會更加成熟地發(fā)展下去 ,也將為擴(kuò)展多相層流的應(yīng)用提供必要的條件。

(3) 微芯片的集成化更是目前和將來研究的重點(diǎn)。芯片通道的微型化有著優(yōu)于傳統(tǒng)分析儀器的一 些特點(diǎn) ,但是由于微芯片耗試劑量極小 ,因此仍然存在著采集、進(jìn)樣和檢測等系統(tǒng)和芯片難以匹配的現(xiàn)象。這也是要盡快解決的問題 ,否則微芯片的應(yīng)用發(fā)展同樣會受到這些因素的影響限制。Du 等 成功地將流動注射自動進(jìn)樣系統(tǒng)與微芯片通道聯(lián)系起來 ,實(shí)現(xiàn)了進(jìn)樣與分析的一體化。該體系能夠?qū)崿F(xiàn) 10000 Πh 進(jìn)樣分析 ,為微芯片的廣泛應(yīng)用打開了一個(gè)新的局面。在微芯片上實(shí)現(xiàn)采集、進(jìn)樣、分析和檢測的集成化是微芯片研究的一個(gè)關(guān)鍵所在 ,也是微芯片走向工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

(4) 當(dāng)前微流控分析的重要研究方向包括細(xì)胞生物學(xué)應(yīng)用 ,免疫及分子診斷、臨床分析應(yīng)用和納流控分析等 , 強(qiáng)調(diào)對單細(xì)胞分析的采樣、定位、溶膜等過程的操控。層流作為其中的一種加工和分析手段 將具有廣泛的應(yīng)用前景 ,它將被普遍應(yīng)用于分離分析、合成反應(yīng)、材料制備、模型加工、臨床醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)等眾多領(lǐng)域。（原標(biāo)題：微流控層流技術(shù)的研究 文章來源：浙江大學(xué)化學(xué)系 微分析系統(tǒng)研究所 文章編號 : 10052281X(2006) 07/8-0966-08）