微流控芯片

上一篇 / 下一篇  2010-11-21 13:35:22 / 个人分类:论文和项目

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简介

  微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上, 自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。报告介绍微流控芯片技术领域国际最新发展,结合报告人多年微流控芯片研发成果,介绍一套完整而独特的芯片制造工艺技术,以及多种不同应用的微芯片。

分类

  包括:白金电阻芯片, 压力传感芯片, 电化学传感芯片, 微/纳米反应器芯片, 微流体燃料电池芯片, 微/纳米流体过滤芯片等。 

  

  ①微流控芯片(microfluidic chip)是当前微全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems)发展的热点领域。微流控芯片分析以芯片为操作平台, 同时以分析化学为基础,以微机电加工技术为依托,以微管道网络为结构特征,以生命科学为目前主要应用对象,是当前微全分析系统领域发展的重点。它的目标是把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上,且可以多次使用。

  ②微流控芯片是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构(通道、反应室和其它某些功能部件)至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构,流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能。因此发展出独特的分析产生的性能。

  ③微流控芯片的特点及发展优势:微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点,它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

  ④其产生的应用目的是实现微全分析系统的终极目标-芯片实验室

  ⑤目前工作发展的重点应用领域是生命科学领域

  ⑥当前(2006)国际研究现状:创新多集中于分离、检测体系方面;对芯片上如何引入实际样品分析的诸多问题,如样品引入、换样、前处理等有关研究还十分薄弱。它的发展依赖于多学科交叉的发展。

  ⑦微流控芯片的特点及发展优势:微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点,它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

 

前景

  目前媒体普遍认为的生物芯片(micro-arrays),如,基因芯片、蛋白质芯片等只是微流量为零的点阵列型杂交芯片,功能非常有限,属于微流控芯片(micro-chip)的特殊类型,微流控芯片具有更广泛的类型、功能与用途,可以开发出生物计算机、基因与蛋白质测序、质谱色谱等分析系统,成为系统生物学尤其系统遗传学的极为重要的技术基础。

 

进展

  微流控分析芯片最初只是作为纳米技术革命的一个补充,在经历了大肆宣传及冷落的不同时期后,最终却实现了商业化生产。微流控分析芯片最初在美国被称为 “芯片实验室”(lab-on-a-chip),在欧洲被称为“微整合分析芯片”(micrototal analytical systems),随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展,微流控芯片也得到了迅速发展,但还是远不及“摩尔定律”所预测的半导体发展速度。今天阻碍微流控技术发展的瓶颈仍然是早期限制其发展的制造加工和应用方面的问题。芯片与任何远程的东西交互存在一定问题,更不用说将具有全功能样品前处理、检测和微流控技术都集成在同一基质中。由于微流控技术的微小通道及其所需部件,在设计时所遇到的喷射问题,与大尺度的液相色谱相比,更加困难。上世纪80年代末至90年代末,尤其是在研究芯片衬底的材料科学和微通道的流体移动技术得到发展后,微流控技术也取得了较大的进步。为适应时代的需求,现今的研究集中在集成方面,特别是生物传感器的研究,开发制造具有超强运行能力的多功能芯片。 美国圣母大学(University of Notre Dame)的Hsueh-Chia Chang博士与微生物学家和免疫检测专家合作研究,提高了微流控分析设备检测细胞和生物分子的速度和灵敏性。同时,Chang对交流电动电学进行了改善,因为他认为交流电(AC)可作为选择平台,驱动流体通过用于医学和研究的微流控分析仪。微流控分析仪最初的驱动机制是常规的直流电动电学,但是使用时容易产生气泡并引起物质在电极发生化学反应的缺点限制了直流电的应用,此外,为保证其对流量的精确控制,直流电极必须放置在储液池中,不能直接连接在电路中。

  三个因素美国Caliper Life Sciences公司Andrea Chow博士认为,微流控技术的成功取决于联合、技术和应用,这三个因素是相关的。他说:“为形成联合,我们尝试了所有可能达到一定复杂性水平的应用。从长远且严密的角度来对其进行改进,我们发现了很多无需经过复杂的集成却有较高使用价值的应用,如机械阀和微电动机械系统(MEMS)。”改进的微流控技术,一般用于蛋白或基因电泳,常常可取代聚丙烯酰胺凝胶电泳。进一步开发的芯片可用于酶和细胞的检测,在开发新药方面很有用。更进一步的产品是可集成样品前处理的基因鉴定,例如基于芯片的链式聚合反应(PCR)。由于具有高度重复和低消耗样品或试剂的特性,这种自动化和半自动化的微流控芯片在早期的药物研发中,得到了广泛应用。

      Caliper的商业模式是将芯片看作是与昂贵的电子学和光学仪器相连接的一个消费品,目前,已被许多公司独立的采用。每个芯片完成一天的实验运作的成本费用大概是5美元,而高通量的应用成本是几百到几千美元,但预计可以重复循环使用几百或几千次,以一次分析包括时间和试剂的成本计算在内,芯片的成本与一般实验室分析成本相当。此外,特定设计芯片的批量生产也大大降低了其成本。Caliper的旗舰产品是LabChip 3000新药研发系统,其微流体成分分析可以达到10万个样品,还有用于高通量基因和蛋白分析的LabChip 90 电泳系统。据Caliper宣称,75 %的主要制药和生物技术公司都在使用LabChip 3000系统。美国加州的安捷伦科技公司曾与Caliper科技公司签署正式合作协议,该项合作于1998年开始,去年结束。安捷伦作为一个仪器生产商的实力,结合其在喷墨墨盒的经验,在微流控技术尚未成熟时,就对微流体市场做出了独特的预见,喷墨打印是目前为止微流控技术应用最多的产品,每年的使用价值 100亿美元。安捷伦已有一些仪器使用趋向于具有更多可用性方面的经验,并将这些经验应用到了微流体技术开发上。微流体和生物传感器的项目经理Kevin Killeen博士在接受采访时说,安捷伦的目标是为终端使用者解除负担,“由适宜的仪器产品组装成的系统可以让非专业人士操纵专业设备”。微流体技术也需要适时表现出其自身的实用性和可靠性,例如,纳米级电喷雾质谱分析(nano-electrospray MS)不必考虑其顶端的闭合及边带的加宽,Killeen补充道:“对于生物学家来说,微流控技术的价值就在于此。” 安捷伦在微流控技术平台上的三个主要产品是Agilent 2100 Bioanalyzer/5100 Automated Lab-on-a-Chip (已于2004年11月推出)和HPLC-Chip(已于2005年3月推出)。鉴定蛋白的HPLC-Chip集成了样品富集和分离,同时还将设备装置减少至LC/MS系统的一半。安捷伦的资料显示,这些特征减少了泄漏和死体积,这种芯片在实验控制时采用了无线电频率标识技术。

      推动力    目前,一直都未能解决的仍然是驱动力问题,以及如何控制流体通过微毛细管。研究者认为,从某种程度上来说,微致动器(micro -actuators)可以为微流控技术提供动力和调节,但是这一设想并没有成功。Chia Chang博士认为,现在还不可能实现利用微电动机械系统(MEMS)作为微流体驱动力,因为“还没有设计出这样的微电动机械系统”。至少到目前为止,一直都在应用非机械的流体驱动设备。刚刚兴起的技术有斯坦福大学Stephen Quake研究小组开发的微流体控制因素大规模地综合应用和瑞士Spinx Technologies开发的激光控制阀门。澳大利亚墨尔本蒙纳士大学的研究者正在开发可在微通道内吸取、混合和浓缩分析样品的等离子体偏振方法。等离子体不接触工作流体便可产生“推力”,具有维持流体稳定流动,对电解质溶液不敏感也不受其污染的优点。瑞士苏黎士联邦工业大学的David Juncker认为,流体的驱动没有必要采用这类高新技术,利用简单的毛细管效应就可以驱动流体通过微通道。Juncker博士说,以毛细管作用力驱动流体具有独特优势:自包含、可升级、没有死体积、可预先设计、易更换溶液。可应用的范围包括开发药物的免疫检测和定点照护诊断检测。最近,Juncker博士及其同事已经开发出可以梯度检测大分子蛋白和检测单个细胞的微流控探测器,Juncker说“这种探测器结合了扫描和微流控技术,定义了一类新的实验空间”, 同时他还设想将这种探测器应用于细胞生物学和新药开发上。另外一个与微流控技术相关却一直未能克服的障碍,是“设备尺寸缩小而存在的效益递减临界点问题” 系统缩小到微米甚至纳米级的尺度范围,与之结合的设备成为一个主要问题。对于微流控芯片,必须将材料从微通道中放入和取出,还要从纳升级流量的流体中获得可靠信号。一些研究者建议将微流控技术与“中等流体”结合,——以小型化的方式附加到中等尺寸的设备中,可以浓缩样品,易于检测。生物学家还受他们所使用微孔板的几何限制。Caliper和其他的一些公司正在开发可以将样品直接从微孔板装载至芯片的系统,但这种操作很具挑战性。美国Corning公司Po Ki Yuen博士认为,要说服生产商将生产技术转移到一个还未证明可以缩减成本的完全不同的平台,是极其困难的。Yuen博士所领导的研究小组的研究领域包括微电动机械系统、光学和微流体学,目前致力于研发新药的非标定检测系统方面的研究。

  与芯片之间的比较美国Cascade Microtech公司的Cali Sartor认为,当今生命科学领域的微流体与20年前工业领域的半导体具有相似之处。计算机芯片的开发者最终解决了集成、设计和增加复杂性等问题,而微流体技术的开发者也正在从各方面克服微流控技术所遇到的此类问题。Cascade的市场在于开发半导体制造业的最初检验和分析系统,现在希望通过具微流控特征和建模平台的L-Series实现市场转型。L-Series包括严格的机械平台,集成了显微镜技术、微定位和计量学等方法。可应用于芯片电场的微型电位计(Microport)也作为其开发的副产品。L-Series致力于真正的解决微流控设备开发者所遇到的难题:必须独立构造芯片系统和提供实用程序,Sartor说:“若是将衬质和芯片粘合在一起,需要经过长期的多次测试,”设计者若想改变流体通道,必须从头开始。L-Series检测组使内联测试和假设分析实验变得更简单,测试一个新设计只要交换芯片即可。当前,L-Series设备只能在手动模式下运行,一次一个芯片,但是Cascade 正在考虑开发可平行操作多个芯片的设备。Cascade 有两个测试用户:马里兰大学Don DeVoe教授的微流体实验室和加州大学Carl Meinhart教授的微流体实验室。德国thinXXS公司开发了另一套微流控分析设备(图4)。该设备提供了一个由微反应板装配平台、模块载片以及连接器和管道所组成的结构工具包。可单独购买模块载片。 ThinXXS还制造专用芯片,生产微流体和微光学设备和部件并提供相应的服务。将微流控技术应用于光学检测已经计划很多年了,thinXXS一直都在进行这方面的综合研究,但未提供详细资料。ThinXXS公司Thomas Stange博士认为,虽然原型设计价格高且有风险,微制造技术已不再是微流控产品商业化生产的主要障碍。对于他们公司所操纵的高价药品测试和诊断市场,校准和工艺惯性才是最主要的障碍。ThinXXS于6月推出了一款新的微芯片产品QPlate,同时宣称该产品首次结合了硅微处理、微铸技术以及印制电路板技术。QPlate是与丹麦Sophion Bioscience公司合作开发的,是QPatch-16 system的组成部分,QPatch-16 system可平行的测量16个细胞离子通道。


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