医用微流控芯片研究进展

随着微电子学和微机电系统技术不断发展,微流控芯片技术不断创新,一些具有颠覆意义的新型医用芯片不断出现,并成为现代医学技术的支撑工具。首先,概述了医用微流控芯片的概念和应用。然后,介绍了6种具有代表性的新型医用微流控芯片的研究进展,包括基因芯片、即时诊断芯片、免疫芯片、可穿戴式芯片、数字化聚合酶链式反应芯片、循环肿瘤细胞芯片、组织与器官仿生芯片。最后,总结了医用微流控芯片的发展趋势。     

微流控芯片硅阳模的加工

研究了单晶硅阳模的制作工艺。考察了光刻胶前烘和后烘的温度、刻蚀剂浓度、组成及刻蚀温度等因素对单晶硅阳模质量的影响。得出了单晶硅阳模制作的最佳条件，用AZA620光刻胶转移图形及二氧化硅为硅片刻蚀的牺牲层，前烘温度为90℃，后烘温度为120℃，刻蚀温度为60℃；刻蚀液组成为氢氧化钾23．4％，异丙醇14．9％，水61．7％。在该条件下制作的单晶硅阳模表面光亮，通道侧壁较光滑。用热压法可快速地将此阳模上的微通道复制于聚碳酸酯基片上，每片约需时5min。已成功地复制了200多片。     

太赫兹微流控芯片

大多数生物大分子和基团的振动或者转动能级处于太赫兹频段,而其生物活性在水溶液中才能表现出来,由于水对太赫兹波的强烈吸收,从而限制了太赫兹技术的推广和应用。为了研究水溶液中生物样品的反应、变化等动态特性,将太赫兹技术和微流控技术相结合,分别研究了微流控芯片上微流控沟道的尺寸,微流控芯片的材料及其制作流程,最后用去离子水对该芯片进行了初步测试,证明了该太赫兹微流控芯片的可行性。     

一种太赫兹微流控芯片

很多生物大分子和糖类的特征振动模式恰好位于太赫兹频段内,使得太赫兹成为一种有潜力的生物化学传感工具。水对于生物分子发挥其功能有着至关重要的作用,而由于水对太赫兹辐射有极强的吸收性,研究液体样品的太赫兹透射谱很难。设计了一款太赫兹微流控芯片,以石英片作为基底,利用光刻技术在石英片上制作出高度50 μm的微流通道,从而减少水的吸收;聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为盖膜与石英片键合后打孔。分别在太赫兹时域光谱系统中测量了芯片的透过率、水的吸收系数以及折射率,在透过率高于30%的0.2 THz~1 THz频段内水的吸收系数没有明显峰值出现,且随着频率的增加而单调递增,与前期考察结果一致。此微流控芯片有潜力用于液体在0.2 THz~1 THz频段内的光谱测量,实现对小剂量生物化学液体样品的实时、无标记传感。     

微流控芯片与计算机间通信模型的研究

微流控芯片技术是一个多领域综合应用的新兴技术,但是这一技术还处于刚刚起步的研究阶段,目前只能同计算机进行链接操作。文章就微流控芯片与计算机之间的通信模型展开分析与讨论,找出适合微流控芯片与计算机之间进行通信的模式。     

微流控聚合物链式反应芯片的多色荧光检测

为了实现微流控芯片上多目标DNA片段的同时检 测,建立了基于光棒匀光结构的微流控芯片多色 荧光检测系统。根据微流控芯片中的聚合物链式反应(PCR)反应腔的特点,设计了基于超亮 白光LED模组、光棒、二向色镜 和CCD的正交型荧光检测系统。CCD可一次采集微流控芯片上所有PCR反应腔中的荧光信号 ,通过滤光 片轮组合的变换,可实现多种荧光标记物的同时检测。采用荧光素钠溶液对激发光的均匀性 进行了测试, 激发产生的荧光图像均匀度达到93.99%,可满足微流控芯片上多反应 腔同时检测的需求。同时,以pUC-18人工质粒DNA作为标准品,开展了微流控荧光PCR生物实验,对系统性能进行验证。实验结 果表明:微 流控PCR反应腔的 DNA浓度变化与荧光信号的变化相一致,pUC-18样品的检测限达到0.05pg/uL,扩增 效率为97.28%,熔解曲线显示无引物二聚体产生,特异性好,达到了 商业化仪器的水平。     

PDMS微流控光纤芯片的研制

用集成在芯片上的光纤作为激发光源,可使激发光斑的大小与微流控沟道的深度尺寸相接近,提高了检测灵敏度,省去了光学聚焦系统.利用二次曝光的方法制作了PDMS光纤芯片,实现了光纤与沟道的对准.对PDMS光纤芯片的加工工艺、封装方法和结构特征进行了探讨.用所制作的芯片对FITC（异硫氰酸荧光素）和以FITC标记的氨基酸进行了检测,结果证明了该芯片的可行性.     

用于流式细胞电穿孔的微流控芯片的研究

细胞转染在基因工程、细胞生物学、临床医疗等领域有着十分重要的应用，我们提出一种集成微电极的微流控电穿孔芯片，可实现有效的单细胞电转染，通过微纳制造工艺在玻璃衬底上加工三组叉指微电极和一组平行微电极，利用软光刻工艺制备 PDMS微流体通道层，经表面改性后，将两者键合，形成微流控电穿孔芯片，实验中采用HeLa细胞进行电穿孔操 作，在15Vpp(电压峰峰值)，300ｋＨｚ交流电压下，有效导入荧光染料的活细胞占总数的48.72％，成功实现了单细胞电穿孔。     

微流控电泳芯片集成电导检测研究进展

电导检测器具有在微流控电泳芯片上制作微电极较易以及外围信号处理电路较简单的特点,在电泳芯片上的集成研究已得到广泛的关注和开展.该文综述了近几年在微流控电泳芯片上集成电导检测器的原理、系统组成以及影响因素,介绍了MEMS 技术在电泳芯片集成电导检测电极加工中的应用;重点综述了目前国内外相关研究报道中较有特色的在电泳芯片上集成的电导检测器.     

微流控芯片的键合技术

微流控芯片实验室的成品率普遍较低,其中密封技术是微流控芯片制造过程的关键步骤,也是难点之一。玻璃等硬质材料常通过热键合和阳极键合技术实现密封,而节能省时的低温玻璃键合技术更受科研人员的青睐。此外,胶黏剂键合和表面改性键合以其便捷性和实用性的优势成为玻璃和聚合物芯片键合领域重要的部分。常用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲基(PMMA)高聚物材料则依据其不同的适用场合而采用不同的键合方式。介绍和分析了微流控芯片领域常用的玻璃、PDMS和PMMA材质键合方式,为微流控芯片制备方法提供了技术指向,对提高微流控芯片制作的成品率产生积极的影响。     

多用途全玻璃微流控芯片流通检测池（英文）

以玻璃为基材的微流控芯片具有光学透明、亲水性好和强度高的特点。介绍了一种具有可更换丝状电极的全玻璃微流控芯片流通检测池。该芯片通过玻璃光刻、湿法刻蚀和热封合制备。一对Pt丝电极通过平行的脊突精确定位在检测通道的两侧,之间相距190μm,流通检测池功能区的总体积仅约为300 nL。包括电化学(EC)、电化学发光(ECL)及化学发光(CL)的多模式检测均在此池体上进行了成功展示。利用微通道中的层流效应实现了电极之间的有效隔离。该芯片流通检测池具有耐用、透明、死体积小和与微型化在线流动检测相匹配的特点,可在高灵敏流动生物传感检测中得到应用。     

微流体光纤芯片的研究进展

微流体光纤芯片是一种把光纤植入到芯片中以方便检测的新型生物芯片,它具有体积小、试剂消耗少、处理速度快、灵敏度高、可实现高度集成等优点,成为微全分析系统(μ—TAS)研究的热点．结合目前光纤芯片的发展状况,综述了两种类型光纤芯片的制作方法,介绍了每种芯片的检测原理,结构及其分类,分析了每种芯片优点与不足,并探讨了其发展趋势．     

玻璃微流控芯片的低成本制作技术

针对玻璃微流控芯片制作中普遍存在的成本高、加工周期长等问题,提出了一种基于湿法腐蚀技术的低成本、实用化制作方法。该方法以商用显微载玻片作为基底材料,采用普通负性光刻胶RFJ-220为腐蚀掩模,通过优化光刻及湿法腐蚀工艺,可得到深度大于40μm（最深可达110μm）,侧向钻蚀比为1．25：1,表面粗糙度小于5．2nm的微沟道。重点解决了光刻胶与基底之间的粘附性问题,并分析了腐蚀液的配比及腐蚀方式等对沟道形貌的影响。整个制作工艺过程简单,成本低,稳定性好,可广泛应用于玻璃微流控芯片的制作中。     

用于抗菌药物敏感实验的倍比稀释微流控芯片

基于微流控梯度网络理论和相关的数学模型,设计了一种新型的浓度倍比稀释微流控芯片结构,对其混合和稀释功能进行了仿真,并结合微加工工艺进行了芯片制备。初步实验结果表明,芯片两个入口处分别以3.267∶1的体积流量比注入去离子水与待稀释试剂样品时,在混合通道入口处两种流体能够进行等体积混合。当芯片两个入口的体积流量分别设置为1.225μL/min和0.375μL/min时,经过4 min后在芯片的四个出口可分别得到经过两倍稀释后的试剂样品,稀释精度达到98%。该浓度状态能长时间保持稳定,进而为抗菌药物敏感实验的研究提供了一条方便快捷、试剂用量少的新途径。     

一种新型微流体DNA提取芯片的研究

介绍了一种新型的DNA提取纯化芯片,采用多层微细加工技术制作SU-8模具,制作含有微柱的三维立体结构的PDMS(聚二甲基硅氧烷)芯片,在微池内填充超顺磁性磁珠,利用固相提取法,对生物样品中的DNA进行有效快速提取。微柱结构能有效促进反应液混合。整个流程快速有效,无需离心,操作简便且易于芯片集成,能在30 min内完成PCR产物的提纯。成功对大肠杆菌裂解液中的DNA进行了提取,提取产物可直接作为PCR反应的模板,较好地避免了非特异扩增的影响。     

微流控拉曼检测芯片的制备与应用

微流控芯片系统具有高效率、低损耗、高安全系数、高灵敏度等优势,表面增强拉曼散射(SERS)光谱具有灵敏度高以及指纹效应强等优点。从两方面对微流控拉曼检测芯片进行综述:微流控芯片通道和SERS基底的制备以及微流控拉曼检测芯片的集成与应用。最后讨论了SERS微流控芯片在便携化应用方面的挑战和机遇,并对整个领域的未来发展方向与前景进行了展望。     

基于表面等离子体共振的高灵敏度光纤微流控芯片

设计了一种可嵌入基于表面等离子体共振(SPR)光纤传感器的微流控芯片,可用于溶液浓度的测量。采用具有良好化学惰性的有机聚合材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为芯片主体的制作材料,在芯片中微流控通道内采用镀有60 nm金膜的多模光纤-光子晶体光纤-多模光纤(MMF-PCF-MMF)传感结构来激发SPR效应。当注入微流体通道的溶液浓度发生变化时,由于光纤传感部分外部折射率的变化引起SPR谐振谷移动,故该芯片可用于测量溶液浓度。本芯片微流控通道直径为0.2 mm,最高检测灵敏度可达8240.6 nm/RIU,具有便于实时测量、高灵敏度、高可靠性、溶液用量少等特点。     

集成电极的PDMS-玻璃微流控芯片的制备

微流控芯片在分析化学和生物检测方面有着广阔的应用前景。对集成电极的PDMS-玻璃微流控芯片的制备工艺进行了研究与分析。最终使用SU-8快速制备阳模,使用PDMS转移图形得到具有微流控通道的PDMS盖片;在玻璃基板上加工Pt电极,除了需要外露的部分电极外,其他部分以薄层PDMS保护,得到电极基板;将PDMS盖片与电极基板半固化键合制得同时具有加热和温度传导电极以及CE高压电极的PDMS-玻璃芯片。ANSYS模拟分析证明加热芯片热惯性小,加热时温度分布效果好。