集成微流控芯片

微流控技术作为一种能够在微米级尺度操纵液体的新兴技术, 微流控芯片已经受到科学家们的广 泛关注. 高密度集成的微流控芯片装置可以实现高通量并行化的实验以及多种操作单元的功 能一体化, 作为一种新的方法学平台, 已经越来越多地应用于化学和生命科学的研究中. 本 文着重介绍了集成化微流控芯片装置的基本概念、构建方法、及其在细胞生物学、分子生物 学以及化学合成应用研究中的最新进展, 尤其强调了集成微流控芯片系统在传统方法难以达 成或实现的单细胞和高通量的研究中的优势, 展望了集成化微流控芯片在化学以及生命科学 中的应用前景.

微流控(microfluidics)技术是一种针对极小量 (109 ~1018 L)的流体进行操控的系统科学技术. 微流控芯片(microfluidic chips)是微流控技术实现的主要平台和技术装置, 其主要特征是容纳流体的有效结 构(通道、反应室和其他某些功能部件)至少在一个维 度上为微米级尺度. 在这一尺度下, 流体的运动具有 自己的特点, 与宏观尺度大不相同. 随着半导体微加 工工艺技术在微流控芯片制备中的广泛应用, 以及 使用弹性材料多层构建等新技术的发展, 人们已经 可以将多种功能性的元件和结构规模集成在一块几 个平方厘米大小的芯片上. 我们将这种包含多种结 构或多个功能的、精确可控的复杂微流控芯片称之为 “集成微流控芯片”, 在本文中我们将主要介绍这种 规模集成的微流控芯片技术, 以及该类型芯片在化 学及生命科学领域的部分应用. 化学及现代生物学的大部分实验都是在溶液状 态下进行的, 这些实验都需要盛装液态物质的容器, 例如烧杯、烧瓶、试管、培养皿等; 也大量涉及到液 体的转移与输运器材, 例如移液管、滴管、量筒、各种管材等. 在这些实验中, 通常所运用的体积单位是 毫升(常见于化学实验)和微升(常见于生物学实验). 在与生命科学相关的研究中随着通量的上升和样品 量的限制, 我们所研究的体系开始使用更小的体积 尺度, 这就需要我们用新的技术手段来进行更小尺 度下的实验操作与观测. 微流控芯片就是在这样的 一种需求下应运而生的技术, 用以进行微量甚至极 微量液体的操纵与分析. 1975 年, 斯坦福大学的 Terry 等人[1]在硅片上制 作了第一个小型的气相色谱分析仪, 这个仪器中的 关键部件是一个在硅片上通过微加工手段蚀刻的微 细通道, 可以形象地看作是一根利用硅片制备的毛 细管类似物. 这个芯片可能是第一个现代意义上的 实用型“微流控”器件. 它的特点是体积小、分析所需 时间短, 但是由于技术限制, 这种硅芯片并未引起广 泛重视. 随后, 微流控技术的发展相对缓慢, 直到 1990 年 Manz 等人[2]提出“微全分析系统(micro total analysis system, TAS)”的概念, 才进入了迅速发展 的时期. 微全分析芯片的概念具有很强的吸引力, 它的主要特点是将待分析样品的前处理、分离以及检测 等步骤高度集成化, 在一块芯片上完成. 随后的近 20 年时间内, 在潜在应用前景的鼓舞下, 微流控技 术的发展速度大大加快. 同时, 以微电子加工和微机 电加工为背景的微加工技术不断发展, 达到了一个 相对成熟的时期, 为微流控芯片的加工和推广提供 了技术平台, 并使得芯片制作的成本得以大大降低. 如今, 微流控分析芯片特别是具备高密度、大规 模、高通量、多功能等特点的集成微流控芯片已经在 化学和生物学领域发挥着重要的作用. 与宏观尺度 的实验装置相比, 这一技术显著降低了样品的消耗 量, 增大了流体环境的表面积, 提高了反应效率, 同 时也降低了实验产生废物对环境的污染; 集成微流 控芯片操作的并行性优势可以实现实验的高通量、自动化控制; 并且通过微阀微泵等微细结构的精确控 制, 微流控芯片在提高生命科学研究的时间与空间 分辨率上有很大的灵活性, 具有不可替代的优势。

原自：Zhao L, Shen J, Zhou H W, et al. Integrated microfluidic chips (in Chinese). Chinese Sci Bull (Chinese Ver), 2011, 56: 1855–1870, doi: 10.1360/972010-1955