微流控技術(shù)的起源

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

MEMS技術(shù)全稱Micro Electromechanical System，MEMS設(shè)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(dǎo)體技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)生活中的機(jī)械系統(tǒng)微型化，形成微型電子機(jī)械系統(tǒng)，簡稱微機(jī)電系統(tǒng)。

1962年全球第一款微型壓力傳感器面世，這一創(chuàng)新產(chǎn)品后來被應(yīng)用于汽車安全(輪胎壓力檢測)和醫(yī)療(有創(chuàng)血壓計)，開啟了MEMS時代。今天MEMS技術(shù)在軍事、航天航空，生物醫(yī)藥、工業(yè)交通及消費(fèi)領(lǐng)域扮演核心技術(shù)的角色，智能手機(jī)中就嵌入了多個MEMS芯片，如麥克風(fēng)，加速度計，GPS定位等。

微流控芯片的特點(diǎn)

芯片集成的單元部件越來越多，且集成的規(guī)模也歸來越大，使著微流控芯片有著強(qiáng)大的集成性。同時可以大量平行處理樣品，具有高通量的特點(diǎn)，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析樣品所需要的試劑量僅幾微升至幾十個微升，被分析的物質(zhì)的體積甚至在納升級或皮升級。

兼價，安全，因此，微流控分析系統(tǒng)在微型化。集成化合便攜化方面的優(yōu)勢為其在生物醫(yī)學(xué)研究、藥物合成篩選、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)、衛(wèi)生檢疫、司法鑒定、生物試劑的檢測等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極為廣闊的前景。

微流控芯片的工作原理

微流控芯片采用類似半導(dǎo)體的微機(jī)電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上，加載生物樣品和反應(yīng)液后，采用微機(jī)械泵。電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導(dǎo)熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測手段已經(jīng)被用在微流控芯片中，對樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和高通量分析。微流控芯片的最大特點(diǎn)是在一個芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復(fù)合體系的微全分析系統(tǒng)?微型反應(yīng)器是芯片實(shí)驗(yàn)室中常用的用于生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如毛細(xì)管電泳、聚合酶鏈反應(yīng)、酶反應(yīng)和DNA 雜交反應(yīng)的微型反應(yīng)器等。其中電壓驅(qū)動的毛細(xì)管電泳(Capillary Electrophoresis，CE) 比較容易在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)，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(xì)管通道，在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動，完成對樣品的檢測分析，如果在芯片上構(gòu)建毛細(xì)管陣列，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對數(shù)百種樣品的平行分析。

微流控芯片的工作原理圖

微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染中的應(yīng)用

1、用于水體中重金屬檢測的微流控芯片系統(tǒng)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，越來越多的重金屬如汞、鉻、鉛、銅、鎳、釩等被排放入水體，不僅會對水生動植物產(chǎn)生毒害作用，還能通過富集作用進(jìn)入生物鏈，對整個生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對上述重金屬的檢測，雖然可以使用高精度的原子吸收光譜和原子熒光光譜等方法。但是在應(yīng)對突發(fā)性污染物泄露事件，或者對一個區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測的情況下，仍需要快速、高效的檢測工具。使用光刻法搭配濕法刻蝕技術(shù)，成功研制了一種微流控芯片，該芯片利用魯米諾發(fā)光性質(zhì)，成功地對硝酸鈷進(jìn)行了測定。與此同時，通過簡單的改造之后，該微全分析系統(tǒng)還能成為檢測過氧化氫或者二氧化氮的裝置，并可以與信號傳遞裝置結(jié)合起來，成為一種自帶無線信號發(fā)射功能的設(shè)備。

基于紙的微流控器件近幾年的發(fā)展也很迅速，相對于具有類似功能的微流控設(shè)備，它具有操作簡單，不需要外援設(shè)備，可多元檢測等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)出了一種可以用來檢測多種重金屬的紙芯片，顯示了良好的靈敏度。

2、用于水體中營養(yǎng)鹽測定芯片系統(tǒng)

用于營養(yǎng)鹽測定的微流控芯片系統(tǒng)多數(shù)是基于分光光度的檢測原理，運(yùn)用現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)將各種光電元件加以集成，例如，一種用于水體中磷酸鹽檢測的微流控芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)的發(fā)射裝置，可以在目標(biāo)區(qū)域的不同位置分別布置對該區(qū)域的磷酸鹽污染狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時監(jiān)測，檢測限量最低為0.3mg/L。

賈宏新等提出了一種三層雜交結(jié)構(gòu)微流控芯片，在玻璃片上加工微反應(yīng)通道，用PDMS加工氣體滲透膜和具有接受通道的PDMS底片，實(shí)現(xiàn)了溶液中銨根正離子反應(yīng)、生成的氨氣擴(kuò)散分離、吸納、溴百里酚藍(lán)顯色和光度檢測在微流控芯片上的集成化。

3、用于水體中有機(jī)污染物分析芯片

水體中除含有無機(jī)污染物外，更大量的是有機(jī)污染物，它以有毒性和使水中溶解氧減少的方式對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康，因此有機(jī)污染物的數(shù)量是評價水體污染狀兄的極為重要的指標(biāo)。這一類污染物由于其含量較低，通常需要進(jìn)行前期的預(yù)處理，微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以將前期的預(yù)處理以及后期的檢測進(jìn)行集成，并且具有較高的萃取/富集效率等。

4、用于水體中微生物檢測芯片系統(tǒng)

水體中的微生物按其粒徑，屬于顆粒有機(jī)碳范圍，其種類群可以反映水體生態(tài)特征和一些重要的污染狀況，是水體生態(tài)調(diào)查中的常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)。在其測定過程中，流式細(xì)胞術(shù)是最為準(zhǔn)確、快速的方法。但其設(shè)備昂貴、體積龐大、需要專人操作，不適合現(xiàn)場、連續(xù)監(jiān)測要求，基于鞘流式流體控制的微流控芯片的出現(xiàn)在一定程度上克服了這些局限，并可能實(shí)現(xiàn)儀器的集成化、小型化、自動化和便攜化。