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一文看懂微流控芯片的工作原理

作者:羅靈姣 日期:2024-06-18 11:08:00 點(diǎn)擊數:

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,生物醫藥、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。

 

一文看懂微流控芯片的工作原理(圖1)

 

微流控芯片的特點(diǎn)

 

芯片集成的單元部件越來(lái)越多,且集成的規模也歸來(lái)越大,使著(zhù)微流控芯片有著(zhù)強大的集成性。同時(shí)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?jì)H幾微升至幾十個(gè)微升,被分析的物質(zhì)的體積甚至在納升級或皮升級。

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

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微流控芯片采用類(lèi)似半導體的微機電加工技術(shù)在芯片上構建微流路系統,將實(shí)驗與分析過(guò)程轉載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結構上,加載生物樣品和反應液后,采用微機械泵。電水力泵和電滲流等方法驅動(dòng)芯片中緩沖液的流動(dòng),形成微流路,于芯片上進(jìn)行一種或連續多種的反應。激光誘導熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統以及與質(zhì)譜等分析手段結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、準確和高通量分析。微流控芯片的最大特點(diǎn)是在一個(gè)芯片上可以形成多功能集成體系和數目眾多的復合體系的微全分析系統?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。

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1、用于水體中重金屬檢測的微流控芯片系統

 

隨著(zhù)工農業(yè)的發(fā)展,越來(lái)越多的重金屬如汞、鉻、鉛、銅、鎳、釩等被排放入水體,不僅會(huì )對水生動(dòng)植物產(chǎn)生毒害作用,還能通過(guò)富集作用進(jìn)入生物鏈,對整個(gè)生態(tài)環(huán)境構成嚴重威脅。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。但是在應對突發(fā)性污染物泄露事件,或者對一個(gè)區域進(jìn)行連續監測的情況下,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(shí),通過(guò)簡(jiǎn)單的改造之后,該微全分析系統還能成為檢測過(guò)氧化氫或者二氧化氮的裝置,并可以與信號傳遞裝置結合起來(lái),成為一種自帶無(wú)線(xiàn)信號發(fā)射功能的設備。

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(lèi)似功能的微流控設備,它具有操作簡(jiǎn)單,不需要外援設備,可多元檢測等優(yōu)點(diǎn),開(kāi)發(fā)出了一種可以用來(lái)檢測多種重金屬的紙芯片,顯示了良好的靈敏度。

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用于營(yíng)養鹽測定的微流控芯片系統多數是基于分光光度的檢測原理,運用現代微細加工技術(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,該系統配有數據的發(fā)射裝置,可以在目標區域的不同位置分別布置對該區域的磷酸鹽污染狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監測,檢測限量最低為0.3mg/L。

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

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水體中除含有無(wú)機污染物外,更大量的是有機污染物,它以有毒性和使水中溶解氧減少的方式對生態(tài)系統產(chǎn)生影響,危害人體健康,因此有機污染物的數量是評價(jià)水體污染狀兄的極為重要的指標。這一類(lèi)污染物由于其含量較低,通常需要進(jìn)行前期的預處理,微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)體現在可以將前期的預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。

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水體中的微生物按其粒徑,屬于顆粒有機碳范圍,其種類(lèi)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)調查中的常規監測指標。在其測定過(guò)程中,流式細胞術(shù)是最為準確、快速的方法。但其設備昂貴、體積龐大、需要專(zhuān)人操作,不適合現場(chǎng)、連續監測要求,基于鞘流式流體控制的微流控芯片的出現在一定程度上克服了這些局限,并可能實(shí)現儀器的集成化、小型化、自動(dòng)化和便攜化。



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