1簡介

微流控晶元技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的晶元上, 自動完成分析全過程。由於它在生物、化學、醫學等領域的巨大潛力,已經發展成為一個生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。報告介紹微流控晶元技術領域國際最新發展,結合報告人多年微流控晶元研發成果,介紹一套完整而獨特的晶元製造工藝技術,以及多種不同應用的微晶元。

2分類

包括:白金電阻晶元,  壓力感測晶元,  電化學感測晶元, 微/納米反應器晶元, 微流體燃料電池晶元, 微/納米流體過濾晶元等。
微流控晶元
①微流控晶元(microfluidic chip)是當前微全分析系統(Miniaturized Total Analysis Systems)發展的熱點領域。微流控晶元分析以晶元為操作平台, 同時以分析化學為基礎,以微機電加工技術為依託,以微管道網路為結構特徵,以生命科學為目前主要應用對象,是當前微全分析系統領域發展的重點。它的目標是把整個化驗室的功能,包括採樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等集成在微晶元上,且可以多次使用。
②微流控晶元是微流控技術實現的主要平台。其裝置特徵主要是其容納流體的有效結構(通道、反應室和其它某些功能部件)至少在一個緯度上為微米級尺度。由於微米級的結構,流體在其中顯示和產生了與宏觀尺度不同的特殊性能。因此發展出獨特的分析產生的性能。
③微流控晶元的特點及發展優勢:微流控晶元具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十倍上百倍地提高等特點,它可以在幾分鐘甚至更短的時間內進行上百個樣品的同時分析,並且可以在線實現樣品的預處理及分析全過程。
④其產生的應用目的是實現微全分析系統的終極目標-晶元實驗室
⑤目前工作發展的重點應用領域是生命科學領域
⑥當前(2006)國際研究現狀:創新多集中於分離、檢測體系方面;對晶元上如何引入實際樣品分析的諸多問題,如樣品引入、換樣、前處理等有關研究還十分薄弱。它的發展依賴於多學科交叉的發展。

3前景

目前媒體普遍認為的生物晶元(micro-arrays),如,基因晶元、蛋白質晶元等只是微流量為零的點陣列型雜交晶元,功能非常有限,屬於微流控晶元(micro-chip)的特殊類型,微流控晶元具有更廣泛的類型、功能與用途,可以開發出生物計算機、基因與蛋白質測序、質譜和色譜等分析系統,成為系統生物學尤其系統遺傳學的極為重要的技術基礎。

4進展

微流控分析晶元最初只是作為納米技術革命的一個補充,在經歷了大肆宣傳及冷落的不同時期后,最終卻實現了商業化生產。微流控分析晶元最初在美國被稱為「晶元實驗室」(lab-on-a-chip),在歐洲被稱為「微整合分析晶元」(micrototal analytical systems),隨著材料科學、微納米加工技術和微電子學所取得的突破性進展,微流控晶元也得到了迅速發展,但還是遠不及「摩爾定律」所預測的半導體發展速度。今天阻礙微流控技術發展的瓶頸仍然是早期限制其發展的製造加工和應用方面的問題。晶元與任何遠程的東西交互存在一定問題,更不用說將具有全功能樣品前處理、檢測和微流控技術都集成在同一基質中。由於微流控技術的微小通道及其所需部件,在設計時所遇到的噴射問題,與大尺度的液相色譜相比,更加困難。上世紀80年代末至90年代末,尤其是在研究晶元襯底的材料科學和微通道的流體移動技術得到發展后,微流控技術也取得了較大的進步。為適應時代的需求,現今的研究集中在集成方面,特別是生物感測器的研究,開發製造具有超強運行能力的多功能晶元。 美國聖母大學(University of Notre Dame)的Hsueh-Chia Chang博士與微生物學家和免疫檢測專家合作研究,提高了微流控分析設備檢測細胞和生物分子的速度和靈敏性。同時,Chang對交流電動電學進行了改善,因為他認為交流電(AC)可作為選擇平台,驅動流體通過用於醫學和研究的微流控分析儀。微流控分析儀最初的驅動機制是常規的直流電動電學,但是使用時容易產生氣泡並引起物質在電極發生化學反應的缺點限制了直流電的應用,此外,為保證其對流量的精確控制,直流電極必須放置在儲液池中,不能直接連接在電路中。
三個因素美國Caliper Life Sciences公司Andrea Chow博士認為,微流控技術的成功取決於聯合、技術和應用,這三個因素是相關的。他說:「為形成聯合,我們嘗試了所有可能達到一定複雜性水平的應用。從長遠且嚴密的角度來對其進行改進,我們發現了很多無需經過複雜的集成卻有較高使用價值的應用,如機械閥和微電動機械系統(MEMS)。」改進的微流控技術,一般用於蛋白或基因電泳,常常可取代聚丙烯醯胺凝膠電泳。進一步開發的晶元可用於酶和細胞的檢測,在開發新藥方面很有用。更進一步的產品是可集成樣品前處理的基因鑒定,例如基於晶元的鏈式聚合反應(PCR)。由於具有高度重複和低消耗樣品或試劑的特性,這種自動化和半自動化的微流控晶元在早期的藥物研發中,得到了廣泛應用。Caliper的商業模式是將晶元看作是與昂貴的電子學和光學儀器相連接的一個消費品,目前,已被許多公司獨立的採用。每個晶元完成一天的實驗運作的成本費用大概是5美元,而高通量的應用成本是幾百到幾千美元,但預計可以重複循環使用幾百或幾千次,以一次分析包括時間和試劑的成本計算在內,晶元的成本與一般實驗室分析成本相當。此外,特定設計晶元的批量生產也大大降低了其成本。Caliper的旗艦產品是LabChip 3000新葯研發系統,其微流體成分分析可以達到10萬個樣品,還有用於高通量基因和蛋白分析的LabChip 90 電泳系統。據Caliper宣稱,75 %的主要製藥和生物技術公司都在使用LabChip 3000系統。美國加州的安捷倫科技公司曾與Caliper科技公司簽署正式合作協議,該項合作於1998年開始,去年結束。安捷倫作為一個儀器生產商的實力,結合其在噴墨墨盒的經驗,在微流控技術尚未成熟時,就對微流體市場做出了獨特的預見,噴墨列印是目前為止微流控技術應用最多的產品,每年的使用價值100億美元。安捷倫已有一些儀器使用趨向於具有更多可用性方面的經驗,並將這些經驗應用到了微流體技術開發上。微流體和生物感測器的項目經理Kevin Killeen博士在接受採訪時說,安捷倫的目標是為終端使用者解除負擔,「由適宜的儀器產品組裝成的系統可以讓非專業人士操縱專業設備」。微流體技術也需要適時表現出其自身的實用性和可靠性,例如,納米級電噴霧質譜分析(nano-electrospray MS)不必考慮其頂端的閉合及邊帶的加寬,Killeen補充道:「對於生物學家來說,微流控技術的價值就在於此。」 安捷倫在微流控技術平台上的三個主要產品是Agilent 2100 Bioanalyzer/5100 Automated Lab-on-a-Chip (已於2004年11月推出)和HPLC-Chip(已於2005年3月推出)。鑒定蛋白的HPLC-Chip集成了樣品富集和分離,同時還將設備裝置減少至LC/MS系統的一半。安捷倫的資料顯示,這些特徵減少了泄漏和死體積,這種晶元在實驗控制時採用了無線電頻率標識技術。 推動力目前,一直都未能解決的仍然是驅動力問題,以及如何控制流體通過微毛細管。研究者認為,從某種程度上來說,微致動器(micro-actuators)可以為微流控技術提供動力和調節,但是這一設想並沒有成功。Chia Chang博士認為,現在還不可能實現利用微電動機械系統(MEMS)作為微流體驅動力,因為「還沒有設計出這樣的微電動機械系統」。至少到目前為止,一直都在應用非機械的流體驅動設備。剛剛興起的技術有斯坦福大學Stephen Quake研究小組開發的微流體控制因素大規模地綜合應用和瑞士Spinx Technologies開發的激光控制閥門。澳大利亞墨爾本蒙納士大學的研究者正在開發可在微通道內吸取、混合和濃縮分析樣品的等離子體偏振方法。等離子體不接觸工作流體便可產生「推力」,具有維持流體穩定流動,對電解質溶液不敏感也不受其污染的優點。瑞士蘇黎士聯邦工業大學的David Juncker認為,流體的驅動沒有必要採用這類高新技術,利用簡單的毛細管效應就可以驅動流體通過微通道。Juncker博士說,以毛細管作用力驅動流體具有獨特優勢:自包含、可升級、沒有死體積、可預先設計、易更換溶液。可應用的範圍包括開發藥物的免疫檢測和定點照護診斷檢測。最近,Juncker博士及其同事已經開發出可以梯度檢測大分子蛋白和檢測單個細胞的微流控探測器,Juncker說「這種探測器結合了掃描和微流控技術,定義了一類新的實驗空間」, 同時他還設想將這種探測器應用於細胞生物學和新葯開發上。另外一個與微流控技術相關卻一直未能克服的障礙,是「設備尺寸縮小而存在的效益遞減臨界點問題」系統縮小到微米甚至納米級的尺度範圍,與之結合的設備成為一個主要問題。對於微流控晶元,必須將材料從微通道中放入和取出,還要從納升級流量的流體中獲得可靠信號。一些研究者建議將微流控技術與「中等流體」結合,——以小型化的方式附加到中等尺寸的設備中,可以濃縮樣品,易於檢測。生物學家還受他們所使用微孔板的幾何限制。Caliper和其他的一些公司正在開發可以將樣品直接從微孔板裝載至晶元的系統,但這種操作很具挑戰性。美國Corning公司Po Ki Yuen博士認為,要說服生產商將生產技術轉移到一個還未證明可以縮減成本的完全不同的平台,是極其困難的。Yuen博士所領導的研究小組的研究領域包括微電動機械系統、光學和微流體學,目前致力於研發新葯的非標定檢測系統方面的研究。
與晶元之間的比較美國Cascade Microtech公司的Cali Sartor認為,當今生命科學領域的微流體與20年前工業領域的半導體具有相似之處。計算機晶元的開發者最終解決了集成、設計和增加複雜性等問題,而微流體技術的開發者也正在從各方面克服微流控技術所遇到的此類問題。Cascade的市場在於開發半導體製造業的最初檢驗和分析系統,現在希望通過具微流控特徵和建模平台的L-Series實現市場轉型。L-Series包括嚴格的機械平台,集成了顯微鏡技術、微定位和計量學等方法。可應用於晶元電場的微型電位計(Microport)也作為其開發的副產品。L-Series致力於真正的解決微流控設備開發者所遇到的難題:必須獨立構造晶元系統和提供實用程序,Sartor說:「若是將襯質和晶元粘合在一起,需要經過長期的多次測試,」設計者若想改變流體通道,必須從頭開始。L-Series檢測組使內聯測試和假設分析實驗變得更簡單,測試一個新設計只要交換晶元即可。當前,L-Series設備只能在手動模式下運行,一次一個晶元,但是Cascade 正在考慮開發可平行操作多個晶元的設備。Cascade 有兩個測試用戶:馬里蘭大學Don DeVoe教授的微流體實驗室和加州大學Carl Meinhart教授的微流體實驗室。德國thinXXS公司開發了另一套微流控分析設備(圖4)。該設備提供了一個由微反應板裝配平台、模塊載片以及連接器和管道所組成的結構工具包。可單獨購買模塊載片。   ThinXXS還製造專用晶元,生產微流體和微光學設備和部件並提供相應的服務。將微流控技術應用於光學檢測已經計劃很多年了,thinXXS一直都在進行這方面的綜合研究,但未提供詳細資料。ThinXXS公司Thomas Stange博士認為,雖然原型設計價格高且有風險,微製造技術已不再是微流控產品商業化生產的主要障礙。對於他們公司所操縱的高價藥品測試和診斷市場,校準和工藝慣性才是最主要的障礙。ThinXXS於6月推出了一款新的微晶元產品QPlate,同時宣稱該產品首次結合了硅微處理、微鑄技術以及印製電路板技術。QPlate是與丹麥Sophion Bioscience公司合作開發的,是QPatch-16 system的組成部分,QPatch-16 system可平行的測量16個細胞離子通道。
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