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【专题】微流体器件的应用 (zz)
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谈谈微流体器件在物理、化学和生物方面的实验和应用前景。 我们知道，液体管道中流动，会受到管壁的磨擦阻力。当管道的口径很小时，管壁的磨擦阻力会很大。在一般情况下，必须施加外力，才能使液体在微小的管道中很好地流动。目前广泛采用加压或加高压电场的方法来控制液体的流动，通过在微流管道中置入非对称微电极和加低压交变电场的方法，我们也能很好地控制液体的流动。而且，这种非对称微电极可以用于测量并能大规模集成。 微流体光学元件的研究是另一个例子。将一滴折射率较高的光学油注入到折射率较低的聚合物（如PDMS）材料做成的微通道中，我们观察到了光导效应。利用这两种材料折射率不同的效应，我们可以做成各种光学器件，如耦合器、分离器、微棱镜、微空腔，等等。当然，通过改变这些聚合物腔体内的介质性质，我们又可以做成各种光调制器和多路光切换器。特别是，在聚合物微腔中注入染料，我们可以得到波长可调的微流体染料激光器。同样，我们可以在微流体器件中进行非线光学实验、单原子的探测与分析等。 微流体也可用于纳电子学的研究。例如，分子纳电子研究主要是通过在两个极小的电极上的分子自主组装而实现的。假如我们在微通道中注入水银，并让表面活性分子排列在水银面上，当两个水银弯月面发生接触的时候，我们就可以观察到不同的分子纳电子学效应。 物理学研究表明，当一个物体（它可能是DNA分子，一个蛋白质，一个细胞或其它种类的化学、生物物质）在电解液中通过与其体积相近的气孔时，系统的电导会发生细微的变化，通过对这个变化的精确测定，使可研究物质的生化性质。制造不同体积（从几个纳米到几十个微米）、不同形状、不同化学材料的微孔的方法有好几种，总的来说，我们可以在微流体器件中集成许多小孔和电极，以同时进行筛选、引导、定位、测量不同规格的纳米量级物体的工作。 纳米颗粒是具有全新物理性质的材料，用自组装方法，我们还可以对纳米颗粒进行各种化学和生物的修饰，从而得到不同的功能性的纳米物体。用微流体器件来控制液体的组成和浓度，可以得到大量重要的数据，从而使纳米颗粒的生产条件得到优化。 我们还可以用微流体器件来控制纳米颗粒的排列。例如在磁场中，磁性微粒的磁化和相互作用使我们得到规则的铁磁链。取消磁场，这些磁性微粒就会分散开来。目前，表面具有不同化学或者生化物质的磁性微米和纳米颗粒已经商业化，它们将用于许多有意思的生物和生化实验。 此外，微流体器件还可以用于诸如光电子、光化学、单分子物理学、微电子（集成电路的冷却）、通讯（信号转换器）、能源（燃料电池）等领域的研究和开发。 在化学领域，我想以下面的几个例子来说明微流体技术的应用。 比如，用双层软光刻的技术。可以很方便地做成完整的芯片化学反应器。较简单的反应器可以由以下元件组成：一个环状反应室，一个溶液进口通道、一个溶液出口通道和一个精密微注射器。在反应环的上方，设立四个膜压微闸以推动流体的移动和搅拌，流体的进和出是受微闸控制的。微注射器由一个膜压微型蠕动泵控制。为了测量混合物的生理—化学性质，还需在其中加入微电极，也可置入适当的微电极在芯片中进行微区温度调控。如果微注射器给每次操作注入的溶液量（量级为纳升）大大低于反应室可容纳的量，我们就可以得到精度很高、不同浓度的溶液。由于所有微闸、微泵的操作以及有关物理和化学参数的测量都由计算机控制，用这种化学芯片可以很方便地进行大量、系统的化学反应和测量。 在微流体通道中，空间有限，表面与体积比例提高，因而流体具有特别的扩散和对流条件，使得其中的化学反应不同于宏观情况。如果在微流体通道中置入纳米电极并使它们之间的间距大大低于扩散长度，我们就可以在纳米尺度上精确地分析化学反应。如果通道的尺度足够大，我们还可以通过两个电极间距离的变化研究扩散问题。总之，将纳电极置入微反应器中，我们就可以了解许多生化过程中离子的输运和互相作用，以开展用于医疗诊断或者模拟新分子生物学和神经学的实验。 如果在固体基底上进行化学组合，还可以通过已知的化学表面和要研究的生物分子间的辨识，固定、纯化、探测生物种类。就我所知，三种辨识是可能的：化学或者电化学，酶和免疫学的。免疫技术就是建立在抗体和抗原亲合力的辨识上的。这种亲合力决定了生物探测器的特殊性，因此生物探测可以用不同的电化学（电位测定、电导测定、阻抗测定）、光学（光致发光、共振表面等离子体）、机械（杠杆、压电反应）、热（微型温度计）或者电（离子或者酶场效应晶体管）等等方法实现。 此外，微流体器件由于其对流量的精确控制和可大规模集成，为组合化学的研究提供了一个理想的办法即：注入不同组成或浓度的化学试剂，控制反应条件（温度、压力、辐射、环境等等），就可以最低的消耗、实现高效率的化学反应。 微流体技术应用于生物学研究，目前主要有两大方向。 一是纵向的，即尽可能地在同一个器件中集成最多的操作方式，如样品提取、分子筛选、浓缩或者稀释、分离、分开和最终分析。这只有在所有的学科介入下才能完成。第二方面是“横向”集成，即建立可以同时进行大量同种分析（如DNA的解码、DNA片段扩增、蛋白质结晶等）的系统。 在我们的实验室里，我们已经做成了一个短时间内、从上百万个细胞中找出一个稀有分子的筛选系统。细胞首先以一定的速度（目的是使这上百万个细胞可在一小时内全部通过）被注尺寸较大的通道中，当稀有细胞在中心区被分辨出来时，两个大通道的阀门便被关闭。在四个小控制闸的帮助下，中心区域的细胞一个个向通道较细的部分移动，这样，有问题的细胞就会很容易从一个特定的微通道中导出。 毛细管电泳分离技术在生物学研究中是一个很有效的方法。人类基因组的解码，如果用微流体芯片自动电泳技术做，会更快、更经济。当然，蛋白质或者其它生物分子的分析也是如此。如果我们能在微流体芯片的沟道中，布入一些尺度和表面化学性能可以控制的高密纳米点阵，分离的效果将会更加优化。当然，如果要大批量、廉价地生产这种芯片，就必须考虑诸如纳米压膜复制技术之类的新方法。 稀有基因的表达研究和单细胞的标识对搞清基因调节和表达的复杂机理、癌症的诊断和治疗至关重要，微流体芯片的出现，为这些研究开辟了广阔的前景。一个微流体芯片包括了在纳升范畴内流体控制、物体操纵的必要元素，因此可在单细胞范围内实现溶解、信息核糖核酸的提取、PCR反转标注。此外，将从细胞筛选到DNA探测的所有步骤集成在一个相同的微流体芯片上，可以避免污染问题，因此微流体芯片很适合于小量生物材料的操纵和扩散。当然，重要的是，要将几种功能集合到一个微系统中去。 从生物医学的角度看，微流体器件可大量节省试剂的用量，提高生产率、改善分析的有效性，高速基因测序、基因工程、蛋白质学、细胞分析、新药研究、诊断等都可求助于微流体芯片。将来，可随身携带的微流体治疗仪、精确跟踪设备、药物发送设备，将大批量、低成本地生产出来。 欢迎大家补充！ [ Last edited by memser on 2009-5-25 at 08:20 ] |
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★ ★ ★
memser(金币+3,VIP+0): 8-7 21:03
memser(金币+3,VIP+0): 8-7 21:03
| 不可忽视微流控，也不可过分神话微流控，就目前而言，微流控仍然是缺少一个“killer products”， 它是现有的技术的一个有益的补充，而很难替代现有的技术。以带有多层控制阀门（pdms）的芯片而言，最早由quake提出，由fludigim公司商品化，但是应用还并没有得到大规模的推广。agilent的电泳芯片在2000年左右就推出，其和caliper公司合作的电泳芯片从技术的角度现在看来仍然很不错，但是在欧美市场仍然是叫好不叫座，不过最近推出质谱前端的芯片（polyimide制作）做为质谱的补充，在欧美市场得到很大的关注。下一步如何发展确实是值得考虑。 |
6楼2009-05-29 10:27:40
2楼2009-05-25 02:38:05
★ 一星级,一般
★ ★ ★
memser(金币+3,VIP+0): 8-7 21:03
memser(金币+3,VIP+0): 8-7 21:03
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楼主同志，您提倡微流控的精神是好的。鼓励一下，给个评价。 但是个人有些问题想探讨一下或请教一下： 1、第一段内容好像没根据。管道口越小摩擦阻力就会越大？电动进样的目的并不是因为样品由于阻力进不去，微管道中单用毛细力和重力就可以进样。 2、微流控用于纳米颗粒自组装是一个开展较广的应用方向，其他的物理方面的应用似乎意义不大。 微流控主要应用于生化领域。 3、什么是“双层软光刻”？做一个化学反应器为什么要用这种技术呢？一个泵、一个微通道和一个反应腔的芯片很容易做。另外，微泵绝对谈不上“精密”二字。微注射器和微泵是两个概念。 4、什么是纳米电极？怎么在纳米尺度上分析化学反应？ 5、在微通道中实现化学反应和混合实际上比宏观尺寸要困难，这是由液体的流体力学性质决定的，楼主好像正好说反了。 6、您实验室中制作的“从上百万个细胞中筛选细胞”的器件看来集成了阀，但不知道你们所用的筛选原理是死端过滤还是错流过滤，效率如何。这种装置的原理应该是根据细胞尺寸不同而进行筛选，筛选样品局限性较大。 7、为什么在微通道中植入纳米点阵分离效率就会提高呢？什么是纳米压膜技术？是纳米压印吗？要是用纳米压印在微通道中制作纳米点阵，这个模具基本不可能做出来（或者价格高的离谱）。如果说要是在微通道中做一些没有排列和规则要求的纳米凸起，这倒是可以实现。 |
7楼2009-07-01 08:19:45
17楼2015-02-28 14:47:16
4楼2009-05-26 17:34:08
5楼2009-05-26 19:42:57
试着替楼主回答上述问题
★ ★ ★ ★
memser(金币+4,VIP+0): 8-7 21:03
memser(金币+4,VIP+0): 8-7 21:03
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1。管道口越小摩擦力越大，好像是不太合适的，亲水的表面和疏水的表面，液体进样是不一样的，也许楼主表达的意思是管道越小流阻越大？电动进样是为了方便，流速可控。 2.赞同楼上观点。 3. 双层软光刻，楼主在这里应该指的是基于PDMS材料的制作工艺，也就是利用PDMS的薄膜特性制作气动阀门控制多个反应腔，可参考fludigim网站介绍。 4.纳米电极的概念不清晰，应该指的是纳米尺度的电极，但是还是要和微米加工工艺相结合，也就是敏感电极是纳米的，有报道说灵敏度会比较高。 5.微尺度下，由于层流，混合很难；而由于比表面积，反应会快。 6.筛选细胞的方法多种多样，目前微流控筛选细胞有介电、磁性、lateral displacement等方法，死端过滤指的是什么？英文是如何？可以一起探讨。 7.这个我估计楼主的意思是提高了比表面积，不见得是纳米压印技术，确实如楼上所说，成本高，集成难，目前主要是自组装或用氧化铝的模板等加工工艺。 |
8楼2009-07-24 10:30:54
9楼2009-08-07 12:19:52
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memser3楼
2009-05-25 08:23
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GrasaVampiro10楼
2009-09-06 23:27
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稻草aaa12楼
2012-03-03 19:50
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