精準醫療的微流控技術(shù)

臨床醫學(xué)全面走向個(gè)性化醫療診療是當今醫學(xué)發(fā)展的一大方向，精準的體外診斷技術(shù)是正確診療的基本保證。而體外診斷基本主要是基于體液（血液，尿液，唾液）的分析，對于這些體液的操控， 自動(dòng)化肯定是個(gè)大趨勢。

那么對于液體的自動(dòng)化操控，正是我們微流控要干的事情。所以，體外診斷（IVD）里除去試劑的研發(fā)，后續的自動(dòng)化檢測， 基本避不開(kāi)微流控。這就是微流控技術(shù)必將火起來(lái)的基礎。

微流控技術(shù)

微流控（microfluidics）是一種精確控制和操控微尺度流體， 以在微納米尺度空間中對流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗室的基本功能諸如樣品制備、反應、分離和檢測等縮微到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺上靈活組合、規模集成。是一個(gè)涉及了工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、微加工和生物工程等領(lǐng)域的交

微流控技術(shù)是MEMS技術(shù)在流體處理方面的一個(gè)重要分支，由于這一技術(shù)是生物芯片的基石，2003年被福布斯（Forbes）雜志評為影響人類(lèi)未來(lái)15件最重要的發(fā)明之一。 

微流控技術(shù)的起源

微型化、集成化和智能化，是現代科技發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。伴隨著(zhù)微機電加工系統（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，電子計算機已由當年的“龐然大物”演變成由一個(gè)個(gè)微小的電路集成芯片組成的便攜系統，甚至是一部微型的智能手機。

MEMS技術(shù)全稱(chēng)Micro Electromechanical System，MEMS設想是由諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Richard Feynman教授于1959年提出，其基本概念是用半導體技術(shù)，將現實(shí)生活中的機械系統微
型化，形成微型電子機械系統，簡(jiǎn)稱(chēng)微機電系統。 

1962年全球第一款微型壓力傳感器面世，這一創(chuàng )新產(chǎn)品后來(lái)被應用于汽車(chē)安全（輪胎壓力檢測）
和醫療（有創(chuàng )血壓計），開(kāi)啟了MEMS時(shí)代。今天MEMS技術(shù)在軍事、航天航空，生物醫****、工
業(yè)交通及消費領(lǐng)域扮演核心技術(shù)的角色，智能手機中就嵌入了多個(gè)MEMS芯片，如麥克風(fēng)，加速
度計，GPS定位等。 

MEMS被廣泛應用于軍事與航空航天、工業(yè)與交通、通訊、生物醫****、消費市場(chǎng) 。
  

微流控芯片

微流控芯片(MicrofluidicChip) ，又稱(chēng)為芯片實(shí)驗室(Lab-on-a-Chip)或生物 芯片。是利用MEMS技術(shù)將一個(gè)大型實(shí)驗室系統縮微在一個(gè)玻璃或塑料基板上，從而復制復雜的生物學(xué)和化學(xué)反應全過(guò)程，快速自動(dòng)地完成實(shí)驗。其特征是在微米級尺度構造出容納流體的通道、反應室和其它功能 部件，操控微米體積的流體在微小空間中的運動(dòng)過(guò)程，從而構建完整的化學(xué)或生物實(shí)驗室。

這一技術(shù)將給基因、免疫、微生物和臨床化學(xué)等診斷領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性突破，使威脅人類(lèi)健康的諸多疾病如癌癥、心腦血管疾病的早期診斷和預防成為可能。生物芯片與生物靶向****物的結合，推動(dòng)臨床醫學(xué)全面走向個(gè)性化醫療診療。

隨著(zhù)微流控芯片技術(shù)的逐漸展開(kāi)及微分析技術(shù)的需求，芯片構型設計越加豐富，出現了一系列形式各異、具有多種微通道網(wǎng)絡(luò )結構的芯片構型。如電泳芯片分離通道的網(wǎng)絡(luò )形狀主要有：直線(xiàn)型、螺旋型、彎曲蛇形、多邊形、折疊形等。由于生化分析的復雜性和多樣性需求，微流控芯片技術(shù)的發(fā)展趨于組合化和集成化，經(jīng)常需在一塊芯片基片上集成多種功能單元，如化學(xué)反應器、生物反應器、過(guò)濾裝置等以進(jìn)行多種樣品的分析檢測，以用于DNA測序和突變點(diǎn)檢測，氨基酸、蛋白質(zhì)、細胞檢測和****物篩選等。

基于高通量快速分離的需要，多通道陣列并行操作是微流控芯片的發(fā)展趨勢，芯片通道數量已從最初的12通道、96通道，發(fā)展到384通道。

微流控芯片的制備

微流控芯片通過(guò)微細加工技術(shù)集成各種不同功能的單元，如微反應池、微泵、微閥、檢測單元等。微通道加工技術(shù)與以硅材料二維和淺深度加工為主的集成電路芯片不同。微流控芯片微通道的兩個(gè)重要指標是深寬比和微通道界面形狀。

深寬比指在基片上形成的微結構的深度特征與寬度特征之比，高深寬比結構加工難度較大。對于直接加工法，形狀特征與腐蝕的方向性有關(guān)，即各向同性或各向異性會(huì )形成不同的幾何形貌特征；對于復制加工方法，如熱模壓和模塑法等，微通道幾何形狀直接與模板形狀及加工工藝有關(guān)。

1、微流控芯片的材料

微流控芯片結構設計選取材料時(shí)考慮的主要因素是：

① 優(yōu)良的加工性能，便于大批量生產(chǎn)以降低費用。 

② 生物相容性或化學(xué)惰性，不影響分析試劑、****物的化學(xué)性質(zhì)；

③ 散熱和絕緣性；

④ 良好的光透性能，適應光學(xué)檢測的要求。

另外還要考慮材料的電滲流特性、表面可修飾性及可密封性能等。

到目前為止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、紙等。選擇合適的材料對于制作工藝選擇和微流控芯片的成功應用非常重要。

（1） 硅材料

單晶硅是最先嘗試使用的芯片基材。硅及二氧化硅具有良好的化學(xué)惰性和熱穩定性，而且硅的微細加工技術(shù)已趨成熟。即使復雜的三維結構，也可用整體和表面微加工技術(shù)進(jìn)行高精度的復制。

硅材料的缺點(diǎn)在于易碎、成本高、不透光、電絕緣性差且表面化學(xué)行為復雜等，雖然較厚的氧化層（>15 μm）可以提高其絕緣層，但厚氧化層尚無(wú)成熟的鍵合方法。上述缺點(diǎn)限制了硅材料在微流控芯片中的廣泛應用。但由于硅和聚合物材料間的粘附系數小，故現常用來(lái)制作聚合物微通道芯片時(shí)所用到的模具。

（2） 玻璃

玻璃和石英彌補了單晶硅在電學(xué)和光學(xué)方面的不足，價(jià)廉、易得，具有良好的電滲性和良好的光學(xué)性質(zhì)，為微系統的故障診斷和光學(xué)檢測提供了便利條件； 然而，玻璃和石英微流控芯片存在著(zhù)制作工藝復雜，加工成本過(guò)高.

而且使用玻璃和石英作基體材料時(shí)，通常使用各向同性腐蝕技術(shù)，很難獲得高深寬比的微結構，深度刻蝕困難，鍵合溫度高和鍵合成品率低，使芯片性能難以改善，且需要相應的潔凈條件和制作設備，工藝過(guò)程復雜。 

要想制作對液體操控所必需的微泵和微閥是非常困難的。這些都限制了玻璃微芯片的普及化和深度產(chǎn)業(yè)化。

（3） 高分子聚合物

與硅和玻璃相比，聚合物材料種類(lèi)多、選擇面廣、價(jià)格便宜，具有良好的絕緣性和透光性，可施加高電場(chǎng)實(shí)現快速分離，成型容易、批量生產(chǎn)成本低，易獲得高深寬比的微結構，微通道表面一般不需或僅需較少修飾，絕大部分聚合物材料對生物樣品或化學(xué)樣品具有相容性，更適合于一次性使用，具有廣闊的應用前景，已引起國內外極大的關(guān)注。

用于制作微流控芯片的聚合物主要可分為三類(lèi)：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。熱塑性聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚乙烯（PE）等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯等；溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等。其中，常用的有PMMA和PDMS。

PMMA材料具有良好的電絕緣性，可施加高電場(chǎng)進(jìn)行快速分離。透光性好，成本低，成型容易，可選擇多種加工方法，如模壓法、注塑法、準分子激光微刻蝕加工等，現已得到了極為廣泛的應用。

彈性高分子材料PDMS（又稱(chēng)硅橡膠），具有價(jià)格便宜，絕緣性好，無(wú)毒；它的透光性好，能透過(guò)250 nm以上的紫外光與可見(jiàn)光，易于檢測；成型容易，批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但PDMS材料制成的微結構的穩定性較差，疏水性較強，經(jīng)常需要進(jìn)行特別處理來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

選擇聚合物做芯片材料時(shí)，應根據加工工藝、應用環(huán)境及檢測方法等諸多因素和聚合物的光電、機械及化學(xué)性質(zhì)選擇適用的類(lèi)型，并注意聚合物材料在所使用的環(huán)境下的惰性、電絕緣性、熱性能和表面合適的修飾改性方法等。一般應注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

① 良好的加工性

不同的加工方法對聚合物的加工性有不同的要求。由于微通道的構型越來(lái)越趨于復雜，高深寬比的微通道的優(yōu)點(diǎn)很多，所以聚合物材料應具有良好的加工性。

② 良好的電絕緣性和熱性能

由于微流控芯片中的液體驅動(dòng)經(jīng)常采用電驅動(dòng)方式，而且芯片經(jīng)常被用于進(jìn)行電泳分離，加高壓電場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生熱量，高溫或局部高溫都會(huì )對分離效果造成影響，所以材料應有良好的電絕緣性和熱性能。

③ 良好的光學(xué)性質(zhì)

對于熒光檢測和紫外檢測而言，材料必須在相應的波長(cháng)范圍內有良好的透光性，才能進(jìn)行有效的檢測。

④ 表面易于修飾改性

聚合物材料的表面易于進(jìn)行改性，如通過(guò)紫外、等離子體、激光和化學(xué)處理等，不僅可改變電滲流，而且還可減少樣品的的吸附。

⑤ 在使用條件下材料呈化學(xué)惰性

由于在微分析操作中經(jīng)常要接觸到各種試劑，需要一定抗溶劑能力和耐酸堿能力，因此，在所采用的分析條件下材料應是惰性的。

⑥ 根據應用場(chǎng)合合理選擇

當制作普通微流控芯片時(shí)，可選用軟化溫度較低的材料，如有機玻璃或聚苯乙烯；制作PCR與CE集成芯片時(shí)，可選用軟化溫度較高的材料，如聚碳酸酯或聚丙烯等。

（4）  陶瓷

陶瓷材料易碎、透光性不好，但耐高溫，有較高的抗壓強度，采用軟刻蝕或激光加工可制出微通道，適于極限惡劣條件下使用，如航空、太空試驗和極地考察等。

（5） 紙

微流控紙芯片（lab-on-paper，紙上微型實(shí)驗室）是近幾年發(fā)展的一種新型微流控芯片。用紙張作為基底代替硅、玻璃、高聚物等材料，通過(guò)各種加工技術(shù)，在紙上加工出具有一定結構的親/疏水微細通道網(wǎng)絡(luò )及相關(guān)分析器件。

與傳統的硅、玻璃、高聚物微流控芯片相比，微流控紙芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 成本更低。

紙張來(lái)源豐富，且其價(jià)格遠低于硅、玻璃/石英、甚至高聚物等材質(zhì)；可通過(guò)簡(jiǎn)單的光刻、蠟印、噴墨打印、繪圖等方式制作二維紙芯片，或通過(guò)簡(jiǎn)單的折紙或多層紙片疊加的方法制作三維紙芯片，因此紙芯片制作簡(jiǎn)便，其加工成本遠低于傳統微流控芯片。

② 分析系統更易微型化、便攜化。

濾紙本身具有很強的毛細管作用，經(jīng)圖案化疏水性處理即能引導溶液有序流動(dòng)，因此無(wú)需外置的驅動(dòng)泵；紙張薄，質(zhì)地輕，且可折疊，因此易于保存和運輸。

③ 生物相容性好。

濾紙的主要成分為纖維素，具有良好的生物相容性，可以在其表面固定酶、蛋白質(zhì)和DNA等生物大分子。

④ 檢測背景低。

紙張通常是白色，有利于在紙芯片上開(kāi)展比色分析。

⑤ 后處理簡(jiǎn)單，無(wú)污染。

紙芯片使用完后，可通過(guò)簡(jiǎn)單安全的燃燒方法進(jìn)行處理，不會(huì )對環(huán)境造成污染。

2、微流控芯片的制作技術(shù)

（1）光刻和刻蝕技術(shù)

傳統的用于制作半導體及集成電路芯片的光刻和刻蝕技術(shù)，是微流控芯片加工工藝中最基礎的。它是用光膠、掩膜和紫外光進(jìn)行微細加工，工藝成熟，已廣泛用于硅、玻璃和石英基片上制作微結構。光刻和刻蝕技術(shù)由薄膜沉積、光刻和刻蝕三個(gè)工序組成。復雜的微結構可通過(guò)多次重復薄膜沉積-光刻-刻蝕這三個(gè)工序來(lái)完成。

光刻前先要在干凈的基片表面覆蓋一層薄膜，薄膜的厚度為數埃到幾十微米，這一工藝過(guò)程稱(chēng)之為薄膜沉積。薄膜按性能不同可分為器件工作區的外延層，限制區域擴張的掩蔽膜，起保護、鈍化和絕緣作用的絕緣介質(zhì)膜，用作電極引線(xiàn)和器件互連的導電金屬膜等。膜材料常見(jiàn)有二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、多晶硅、電導金屬、光刻抗蝕膠、難熔金屬等。制造加工薄膜的主要方法有氧化、化學(xué)氣相沉積、蒸發(fā)、濺射等。

在薄膜表面均勻地覆蓋上一層光膠，將掩膜上微流控芯片設計圖案通過(guò)曝光成像的原理轉移到光膠層上的工藝過(guò)程稱(chēng)為光刻。光刻技術(shù)一般有以下基本工藝過(guò)程構成：

①基片的預處理。

通過(guò)脫脂、拋光、酸洗、水洗的方法使基片表面凈化，確保光刻膠與基片表面有良好的粘附。

②涂膠。

在經(jīng)過(guò)處理的基片表面均勻涂覆一層粘性好、厚度適當的光刻膠。膠膜太薄，易生成針孔，抗蝕能力差；太厚則不易徹底顯影，同時(shí)會(huì )降低分辨率。光刻膠的實(shí)際厚度與它的粘度有關(guān)，并與甩膠機的旋轉速度的平方根成反比。涂膠方法有旋轉涂覆法、刷涂法、浸漬法、噴涂法等。

③前烘。

在一定的溫度下，使光刻膠液中溶劑揮發(fā)，增強光刻膠與基片粘附以及膠膜的耐磨性。前烘的溫度和時(shí)間由光致抗蝕劑的種類(lèi)和厚度決定，常采用電熱恒溫箱、熱空氣或紅外熱源。

前烘溫度和時(shí)間要合適，若溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )造成顯影時(shí)留下底膜或感光靈敏度下降，腐蝕時(shí)出現小島；若溫度過(guò)低或時(shí)間過(guò)短，會(huì )造成顯影后針孔增加，或產(chǎn)生浮膠、圖形變形等現象。

④曝光。

將已制備好所需芯片圖形的光刻掩膜覆蓋在基片上，用紫外線(xiàn)等透過(guò)掩膜對光刻膠進(jìn)行選擇性照射。受光照射的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應。在實(shí)際操作中，曝光時(shí)間由光刻膜、膠膜厚度、光源強度以及光源與基片間距決定。曝光的方式有化學(xué)曝光、接觸式和接近式復印曝光、光學(xué)投影成像曝光。

⑤顯影。

用光膠配套顯影液通過(guò)化學(xué)方法除去經(jīng)曝光的光膠（正光膠）或未經(jīng)曝光的光膠（負光膠），顯影液和顯影時(shí)間的選擇對顯影效果的影響很大。選擇顯影液的原則是，對需要去除的那部分膠膜溶解度大、溶解速度快，對需要保留的那部分溶解度小。顯影時(shí)間視光致抗蝕劑的種類(lèi)、膠膜厚度、顯影液種類(lèi)、顯影溫度和操作方法而異。

⑥堅膜。

將顯影后的基片進(jìn)行清洗后在一定溫度下烘烤，以徹底除去顯影后殘留于膠膜中的溶劑或水分，使膠膜與基片緊密粘附，防止膠層脫落，并增強膠膜本身的抗蝕能力。堅膜的溫度和時(shí)間要合適。

刻蝕是將光膠層上的平面二維圖形轉移到薄膜上并進(jìn)而在基片上加工成一定深度微結構的工藝。 

根據刻蝕劑狀態(tài)不同，可將腐蝕工藝分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩大類(lèi)。濕法刻蝕是通過(guò)化學(xué)刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)間的化學(xué)反應將被刻蝕物質(zhì)剝離下來(lái)的刻蝕方法。大多數濕法刻蝕是不容易控制的各向同性腐蝕。

其特點(diǎn)是選擇比高、均勻性好、對硅片損傷少，幾乎適用于所有的金屬、玻璃、塑料等材料。缺點(diǎn)是圖形保真度不強，橫向腐蝕的同時(shí)，往往會(huì )出現側向鉆蝕，以致刻蝕圖形的最少線(xiàn)寬受到限制。

干法刻蝕指利用高能束與表面薄膜反應，形成揮發(fā)性物質(zhì)，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。其最大的特點(diǎn)是能實(shí)現各向異性刻蝕，即在縱向的刻蝕速率遠大于橫向刻蝕的速率，從而保證細小圖形轉移后的保真性。干法刻蝕的作用基礎是等離子體。

用光刻的方法加工微流控芯片時(shí)，必須首先制造光刻掩模。掩膜的基本功能是基片受到光束照射時(shí)，在圖形區和非圖形區產(chǎn)生不同的光吸收和透過(guò)能力。用計算機制圖系統將掩模圖形轉化為數據文件，再通過(guò)專(zhuān)用接口電路控制圖形發(fā)生器中的曝光光源、可變光闌、工作臺和鏡頭，在掩模材料上刻出所需的圖形?；蛴梦C通過(guò)CAD軟件將設計微通道的結構圖轉化為圖像文件后，用高分辨率的打印機將圖像打印到透明薄膜上。此透明薄膜可作為光刻用的掩模, 基本能滿(mǎn)足微流控芯片對掩模的要求。

（2）熱壓法

熱壓法（hot embossing）是一種應用較廣泛的快速復制電泳微通道的芯片制作技術(shù)，適用于PMMA與PC等熱塑性聚合物材料。熱壓法的模具可以是直徑在50 μm以下的金屬絲或是刻蝕有凸突的微通道骨片陽(yáng)膜，如鎳基陽(yáng)模、單晶硅陽(yáng)模、玻璃陽(yáng)模、微機械加工的金屬陽(yáng)模。 此法可大批量復制，設備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，但所用材料有限。

（3）模塑法

用光刻和刻蝕的方法先制出陽(yáng)模（所需通道部分突起），澆注液態(tài)的高分子材料，然后將固化后的高分子材料與陽(yáng)模剝離，得到具有微通道芯片的這種制備微芯片的方法稱(chēng)為模塑法。模塑法的關(guān)鍵在于模具和高分子材料的選擇，理想的材料應相互之間粘附力小，易于脫模。

微通道的陽(yáng)膜可由硅材料、玻璃、環(huán)氧基SU-8負光膠和PDMS等制造。硅或玻璃陽(yáng)膜可采用標準刻蝕技術(shù)。PDMS模具可通過(guò)直接澆注于由硅材料、玻璃等材料制的母模上制得。 

澆注用的高分子材料應具有低粘度，低固化溫度。在重力作用下，可充滿(mǎn)模子上的微通道和凹槽等處?？捎玫牟牧嫌袃深?lèi)：固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。 

雖然模塑法受限于高分子材料，但該法簡(jiǎn)便易行，芯片可大批量復制，且不需要昂貴的設備，是一個(gè)可以制作廉價(jià)分析芯片的方法。

（4）注塑法

注塑法的工藝是通過(guò)光刻和刻蝕技術(shù)在硅片上刻蝕出電泳芯片陰模，用此陰模進(jìn)行24h左右的電鑄，得到0.5 cm厚的鎳合金模，再將鎳合金模加厚，精心加工制成金屬注塑模具，將此模具安裝在注塑機上批量生產(chǎn)聚合物微流控芯片基片。

在注塑法制作過(guò)程中，模具制作復雜，技術(shù)要求高，周期長(cháng)，是整個(gè)工藝過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。一個(gè)好的模具可生產(chǎn)30 ~ 50萬(wàn)張聚合物芯片，重復性好，生產(chǎn)周期短，成本低廉，適宜于已成型的芯片生產(chǎn)。

（5）LIGA技術(shù)

LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung，Abformung三個(gè)字的字頭縮寫(xiě)。LIGA技術(shù)是由光刻、電鑄和塑鑄三個(gè)環(huán)節組成。

準LIGA技術(shù)是用紫外光光源來(lái)代替LIGA技術(shù)中的同步輻射X光深層光刻，然后進(jìn)行后續的微電鑄和微復制工藝。它不需要同步輻射X光光刻和特制的X光掩膜板，有利于實(shí)現微機械器件的大批量生產(chǎn)。根據紫外光深層光刻的工藝路線(xiàn)的不同，準LIGA技術(shù)又可分為多層光刻—LIGA、硅模深刻蝕—LIGA和SU-8深層光刻—LIGA三類(lèi)。

（6）激光燒蝕法

激光燒蝕法是一種非接觸式的微細加工技術(shù)。它可直接根據計算機CAD的數據在金屬、塑料、陶瓷等材料上加工復雜的微結構，已應用于微模和微通道的加工。 這種方法對技術(shù)設備要求較高，步驟簡(jiǎn)便，而且不需超凈環(huán)境，精度高。但由于紫外激光能量大，有一定的危險，需在標準激光實(shí)驗室中進(jìn)行操作，使用安全保護裝備和防護眼鏡。

（7）軟光刻

軟光刻（soft lithography）是相對于微制造領(lǐng)域中占據主導地位的光刻而言的微圖形轉移和微制造的新方法，以自組裝單分子層、彈性印章和高聚物模塑技術(shù)為基礎的微細加工新技術(shù)。它能制造復雜的三維結構及不規則曲面；能應用于生物高分子、膠體、玻璃、陶瓷等多種材料；沒(méi)有相關(guān)散射帶來(lái)的精度限制，可以達到30 nm ~ 1 μm級的微小尺寸； 因此軟光刻是一種便宜、方便，適于實(shí)驗室使用的技術(shù)。

軟光刻技術(shù)的核心是彈性模印章，可通過(guò)光刻蝕和模塑的方法制得。PDMS是軟光刻中最常用的彈性模印章。軟光刻的關(guān)鍵技術(shù)主要包括微接觸印刷、再鑄模、微傳遞成模、毛細管成模、溶劑輔助成模等。

軟光刻技術(shù)還存在著(zhù)一些缺陷，如PDMS固化后有1%的收縮變形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深寬比將出現一定的膨脹；PDMS的彈性和熱膨脹性使其很難獲得高的準確性，也使軟光刻在多層面的微加工中受到限制；由于彈性模太軟，無(wú)法獲得大的深寬比，太大或太小的寬深比都將導致微結構的變形或扭曲。

如今微流控芯片已經(jīng)成為涵蓋了從分離分析、化學(xué)合成、醫學(xué)診斷學(xué)、細胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、系統生物學(xué)、結構生物學(xué)、微生物學(xué)等一系列應用研究領(lǐng)域的綜合性交叉學(xué)科。

微流控技術(shù)的應用

基于微流控芯片的代表性關(guān)鍵技術(shù)

① 微流控分析芯片是新一代床旁診斷（Point of care testing, POCT）主流技術(shù)，可直接在被檢對象身邊提供快捷有效的生化指標，使現場(chǎng)檢測、診斷、治療成為一個(gè)連續的過(guò)程；

② 微流控反應芯片以液滴為代表，是迄今為止最重要的微反應器，在高通量****物篩選，單細胞測序等領(lǐng)域顯示了巨大的威力；

③ 微流控細胞/器官操控芯片是哺乳動(dòng)物細胞及其微環(huán)境操控最重要技術(shù)平臺，渴望部分代替小白鼠等動(dòng)物模型，用于驗證候選****物，開(kāi)展****物毒理和****理作用研究。

1、新一代床旁診斷（POCT）技術(shù)——Microfluidics-based POCT

POCT可直接在被檢者身邊提供快捷有效的生化指標，現場(chǎng)指導用****，使檢測、診斷、治療成為一個(gè)連續過(guò)程，對于疾病的早期發(fā)現和治療具有突破性的意義。

POCT儀器發(fā)展趨勢應是小型化、“傻瓜”式，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員，直接輸入體液樣本，即可迅速得到診斷結果，并將信息上傳至遠程監控中心，由醫生指導保健。目前，市場(chǎng)上有多種即時(shí)診斷方法，簡(jiǎn)單的流動(dòng)測試工作沒(méi)有流體管理技術(shù)，而當測試復雜性增加時(shí)，微流控技術(shù)是必要的。

微流控芯片所具有的多種單元技術(shù)在微小可控平臺上靈活組合和規模集成的特點(diǎn)已使其成為現代POCT技術(shù)的首選，經(jīng)過(guò)近年的發(fā)展，已涌現了一批微流控芯片POCT分子診斷和免疫診斷的成功案例。

動(dòng)式微流控技術(shù)與其他POCT技術(shù)的區別

2、PCR-微流控芯片CE

微型反應器是芯片實(shí)驗室中常用的用于生物化學(xué)反應的結構，如毛細管電泳、聚合酶鏈反應、酶反應和DNA 雜交反應的微型反應器等 。其中電壓驅動(dòng)的毛細管電泳(Capillary Electrophoresis ， CE) 比較容易在微流控芯片上實(shí)現，因而成為其中發(fā)展最快的技術(shù)。

它是在芯片上蝕刻毛細管通道，在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動(dòng)，完成對樣品的檢測分析，如果在芯片上構建毛細管陣列，可在數分鐘內完成對數百種樣品的平行分析。

國際上公認的PCR 產(chǎn)物檢測共有五種方法，按其靈敏度高低順序排列為：毛細管電泳法、固相雜交法、液相雜交法、高壓液相雜交法和凝膠電泳法(不推薦臨床) 。

微流控芯片CE 以毛細管電泳為該芯片主體，無(wú)需進(jìn)行探針雜交，受檢樣品的信號獲得率接近百分之百。

微流控芯片CE 可檢測15~7500bp范圍的PCR 產(chǎn)物，分辨率可達20bp ，樣品微量化使擴散進(jìn)一步減少，分離效果極好，每孔可供多個(gè)不同的PCR 產(chǎn)物作同時(shí)分析。

目前其應用主要集中在核酸分離和定量、DNA 測序、基因突變和基因差異表達分析等。另外，蛋白質(zhì)的篩分在微流控芯片中也已有報道針對病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態(tài)型基因變異的位點(diǎn)及特征等，設計和選擇合適的核酸探針，經(jīng)PCR 擴增后檢測，就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗****、致病、同源性、多態(tài)型、變異和表達等信息，為疾病的診斷和治療提供一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

自1992 年微流控芯片CE 首次報道以來(lái)，進(jìn)展很快。首臺商品儀器是微流控芯片CE ( 生化分析儀，Aglient) ，可提供用于核酸及蛋白質(zhì)分析的微流控芯片產(chǎn)品。

3、哺乳動(dòng)物細胞及其微環(huán)境操控平臺——微流控芯片仿生實(shí)驗室

由于微流控芯片的構件尺寸和細胞吻合，并可同時(shí)測定物理量、化學(xué)量和生物量，它已成為對哺乳動(dòng)物細胞及其微環(huán)境進(jìn)行操控的最具潛力的平臺。

目前已可以構建微米量級且相對封閉的三維細胞培養、分選、裂解等操作單元，并把這些單元成功延伸到組織和器官。

器官芯片是一種更接近仿生體系的模式，可在一塊幾平方厘米的芯片中培養各種活體細胞，形成組織器官，乃至由不同器官芯片進(jìn)一步組成活體芯片，從而模擬一個(gè)活體的行為并研究活體中整體和局部的種種關(guān)系。

在****學(xué)領(lǐng)域，器官芯片將被部分替代小白鼠等模型動(dòng)物，用于驗證候選****物，開(kāi)展毒理和****理作用研究。

細胞培養微流控芯片

微流控芯片技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，已經(jīng)從最初單純的毛細管電泳的微型化技術(shù)，演變成為一種涵蓋了從基礎生物技術(shù)到生物醫學(xué)診斷等各個(gè)領(lǐng)域的富有活力的工具性方法平臺。

隨著(zhù)微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控芯片技術(shù)與其他的代表性技術(shù)會(huì )在更為廣泛的研究領(lǐng)域中交叉滲透，快速發(fā)展，而且也會(huì )更加直接地深入到人們的日常生活甚至平常使用的器件當中。

阻礙微流控技術(shù)發(fā)展的瓶頸包括制造加工、集成度以及與宏觀(guān)系統的接口等應用方面的問(wèn)題。今后微流控芯片會(huì )朝著(zhù)分析成分的多樣化、制作基材的多樣化、研究方法的多樣化和系統的微型化與集成化的方向發(fā)展。

集中在大規模、高通量、低消耗的生命科學(xué)和分析化學(xué)實(shí)驗中，包括單細胞培養與分析、干細胞操控與培養、單分子生物物理學(xué)、高通量的細胞與分子生物學(xué)篩選實(shí)驗、****物發(fā)現、高通量合成生物學(xué)、高通量測序技術(shù)、單細胞基因組學(xué)等。

基于微流控人體體液的生化分析也特別適合目前大火的互聯(lián)網(wǎng)醫療。 智能檢測或診斷的醫療器械終端（家用）與互聯(lián)網(wǎng)的大數據結合，這一塊也將大大的推進(jìn)了人類(lèi)醫療健康系統的發(fā)展。