微流控芯片的發展趨勢及前景分析

微流控技術的基本概念

 

微流控芯片實驗室,又稱其為芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上,自動完成分析全過程。由于它在生物、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。由于微米級的結構,流體在微流控芯片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。

 

微流控芯片組成結構

 

微流控芯片的結構由具體研究和分析目的決定,設計和加工微流控芯片片基開展微流控芯片研究的基礎。微流控芯片的主體結構由上下兩層片基組成(PMMA、PDMS、玻璃等材料),包括微通道,微結構、進樣口,檢測窗等結構單元構成。外圍設備有蠕動泵、微量注射泵、溫控系統、以及紫外、熒光、電化學、色譜等檢測部件組成。附加在微流控芯片結構上的電器設備是微流控芯片進行研究的必要組成部分,主要功能如驅動和控制微流體的流動、溫度調控、圖像采集和分析,以及自動化控制等。

 

 

微流控芯片的材料

 

微流控芯片起源于MEMS(微機電系統)技術,早期常用的材料是硅和玻璃。近年來高分子聚合物材料己經成為微流控芯片加工的主要材料,它的種類多、價格便宜、絕緣性好、性能指標優,可施加高電場實現快速分離,加工成型方便,易于實現批量化生產。

硅具有散熱好、強度大、價格適中、純度高和耐腐蝕等優點。隨著微電子的發展,硅材料的加工技術越來越成熟,硅材料首先被用于微流控芯片的制作,因具有良好的光潔度和成熟的加工工藝,可以用于微泵、微閥和模具等器件。但是硅材料也有本身的缺點,例如絕緣性和透光性較差、深度刻蝕困難、硅基片的粘合成功率低等,這些影響了硅的應用。

如今,玻璃己被廣泛用于制作微流控芯片,使用光刻和蝕刻技術可以將微通道網絡刻在玻璃材料上,它的優點是有一定的強度、散熱性、透光性和絕緣性都比較好,很適合通常的樣品分析。

目前,高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生產等優點,得到了越來越多的關注。用于加工微流控芯片的高分子聚合物材料主要有三大類:熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發型聚合物。聚合物大分子之間以物理力聚而成,加熱時可熔融,并能溶于適當溶劑中。熱塑性聚合物受熱時可塑化,冷卻時則固化成型,并且可以如此反復進行。熱塑性聚合物包括有聚酰胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等;固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、環氧樹脂和聚氨酯等,將它們與固化劑混合后,經過一段時間固化變硬后得到微流控芯片。溶劑揮發型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等,將它們溶于適當的溶劑后,經過緩慢的揮發溶劑而得到微流控芯片。PDMS材料因其顯著的優勢,如成本低,使用簡單,同硅片之間具有良好的粘附性,良好的化學惰性,成為一種廣泛應用于微流控芯片領域的聚合物材料,在學術界與工業界中的應用極為廣泛。PDMS芯片經軟刻蝕加工技術,可以實現高精度微結構的生成。PDMS芯片應用在某些生物實驗中,可以形成足夠穩定的溫度梯度,便于反應的實現。除此之外,由于其對可見光與紫外光的穿透性,使得其得以與多種光學檢測器實現聯用。更重要一點在細胞實驗中,由于PDMS的無毒特征以及透氣性,因此與其他聚合物材料相比有著不可替代的地位。

 

 

我國微流控芯片的發展現狀

 

中國在微流控分析方面的研究雖然起步較國外晚了四到五年,但在多個相關的學科領域都具有足夠的積累與優勢,我國具有世界上最大的微流控芯片市場,用中國的芯片產品占領這一-市場是我國科學家責無旁貸的使命。

2015年,我國微流控芯片行業市場規模達到25.7億元,比2014年同比增長8.2%.2015年,我國微流控芯片行業產量達到692.45萬個,比2014年同比增長8.7%;需求量達到717.56萬個,比2014年同比增長8.4。

近年來我國微流控芯片研究取得了突破性進展,弓|起產業界的極大關注。目前已涌現出-批在很大程度上具有不可替代性的關健性技術,并逐漸形成以生命科學為代表,覆蓋面很寬的應用領域,例如最近發展起來的器官芯片、液滴微流控芯片。未來來幾年內,如果將微流控芯片與“生物手機”、”互聯網+”進一步結合,這樣一個由一種新興技術弓|發的可能具有全局性影響的趨勢,是否能夠因此誕生--批”風口”行業值得大家期待。

 

 

微流控芯片技術發展趨勢

 

1)基于液滴微流控的超高通量篩選技術將對新藥研發、生物工程酶的改進、結構生物學研究起到關鍵的推進作用;

2)微流控技術將成為單細胞分析的核心工具,促進單細胞基因組學、蛋白組學、代謝組學的發展,從單細胞層次揭示新的分子機制、信號傳導和代謝通路;

3)以數字PCR芯片和循環腫瘤細胞CTC捕獲芯片為代表的新型“液體活檢”診斷工具,將可能突破當前癌癥早期診斷和術后療效評估存在的技術瓶頸,成為新的癌癥診斷標準;

4)器官芯片和人體芯片技術的繼續發展,可能在芯片上構建用于藥物研究的仿生人體,從而顯著降低當前新藥研究成本和研發周期;

5)微流控技術將在即時檢驗中扮演著越來越關鍵的作用,在傳染病檢測、環境監察、食品安全檢測、農殘檢測、家用醫療儀器等方面具有強大的市場前景。

 

微流控芯片的發展前景

微流控分析芯片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。微流控分析芯片最初在美國被稱為“芯片實驗室”,在歐洲被稱為”微整合分析芯片”,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,微流控芯片也得到了迅速發展,但還是遠不及“摩爾定律“所預測的半導體發展速度。

原則上,微流控芯片可以用于各個分析領域,如生物醫學、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗、環境監測、刑事科學、軍事科學和航天科學等其他重要應用領域,其中生物分析是熱點。目前其應用主要集中在核酸分離和定量、DNA 測序、基因突變和基因差異表達分析等。另外,蛋白質的篩分在微流控芯片中也已有報道針對病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態型?基因變異的位點及特征等,設計和選擇合適的核酸探針,經PCR 擴增后檢測,就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗藥、致病、同源性、多態型、變異和表達等信息,為疾病的診斷和治療提供一個很好的切入點。

國際上公認的PCR 產物檢測共有五種方法,按其靈敏度高低順序排列為: 毛細管電泳法、固相雜交法、液相雜交法、高壓液相雜交法和凝膠電泳法(不推薦臨床)。微流控芯片CE 以毛細管電泳為該芯片主體,無需進行探針雜交,受檢樣品的信號獲得率接近百分之百。微流控芯片CE 可檢測15~7500bp范圍的PCR 產物,分辨率可達20bp,樣品微量化使擴散進一步減少,分離效果極好,每孔可供多個不同的PCR 產物作同時分析。

我國在微流控分析方面的研究雖然起步較國外晚了四到五年,但在多個相關的學科領域都具有足夠的積累與優勢,我國具有世界上最大的微流控芯片市場,用中國的芯片產品占領這一市場是我國科學家責無旁貸的使命。多名微流控領域的專家也將參加在上海舉辦的先進體外診斷技術峰會,共同對微流控的先進技術進行總結和分析,對我國的微流控芯片研究領域進行更多的解讀。相信經過不懈的努力,微流控芯片蓬勃的發展在我國很快將會到來。

 

 

本文轉自:電子發燒友

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