微流控芯片的发展趋势及前景分析

微流控技术的基本概念

 

微流控芯片实验室,又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。由于微米级的结构,流体在微流控芯片中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能,因此发展出独特的分析产生的性能。

 

微流控芯片组成结构

 

微流控芯片的结构由具体研究和分析目的决定,设计和加工微流控芯片片基开展微流控芯片研究的基础。微流控芯片的主体结构由上下两层片基组成(PMMA、PDMS、玻璃等材料),包括微通道,微结构、进样口,检测窗等结构单元构成。外围设备有蠕动泵、微量注射泵、温控系统、以及紫外、荧光、电化学、色谱等检测部件组成。附加在微流控芯片结构上的电器设备是微流控芯片进行研究的必要组成部分,主要功能如驱动和控制微流体的流动、温度调控、图像采集和分析,以及自动化控制等。

 

 

微流控芯片的材料

 

微流控芯片起源于MEMS(微机电系统)技术,早期常用的材料是硅和玻璃。近年来高分子聚合物材料己经成为微流控芯片加工的主要材料,它的种类多、价格便宜、绝缘性好、性能指标优,可施加高电场实现快速分离,加工成型方便,易于实现批量化生产。

硅具有散热好、强度大、价格适中、纯度高和耐腐蚀等优点。随着微电子的发展,硅材料的加工技术越来越成熟,硅材料首先被用于微流控芯片的制作,因具有良好的光洁度和成熟的加工工艺,可以用于微泵、微阀和模具等器件。但是硅材料也有本身的缺点,例如绝缘性和透光性较差、深度刻蚀困难、硅基片的粘合成功率低等,这些影响了硅的应用。

如今,玻璃己被广泛用于制作微流控芯片,使用光刻和蚀刻技术可以将微通道网络刻在玻璃材料上,它的优点是有一定的强度、散热性、透光性和绝缘性都比较好,很适合通常的样品分析。

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产等优点,得到了越来越多的关注。用于加工微流控芯片的高分子聚合物材料主要有三大类:热塑性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。聚合物大分子之间以物理力聚而成,加热时可熔融,并能溶于适当溶剂中。热塑性聚合物受热时可塑化,冷却时则固化成型,并且可以如此反复进行。热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)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等;固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧树脂和聚氨酯等,将它们与固化剂混合后,经过一段时间固化变硬后得到微流控芯片。溶剂挥发型聚合物有丙烯酸、橡胶和氟塑料等,将它们溶于适当的溶剂后,经过缓慢的挥发溶剂而得到微流控芯片。PDMS材料因其显著的优势,如成本低,使用简单,同硅片之间具有良好的粘附性,良好的化学惰性,成为一种广泛应用于微流控芯片领域的聚合物材料,在学术界与工业界中的应用极为广泛。PDMS芯片经软刻蚀加工技术,可以实现高精度微结构的生成。PDMS芯片应用在某些生物实验中,可以形成足够稳定的温度梯度,便于反应的实现。除此之外,由于其对可见光与紫外光的穿透性,使得其得以与多种光学检测器实现联用。更重要一点在细胞实验中,由于PDMS的无毒特征以及透气性,因此与其他聚合物材料相比有着不可替代的地位。

 

 

我国微流控芯片的发展现状

 

中国在微流控分析方面的研究虽然起步较国外晚了四到五年,但在多个相关的学科领域都具有足够的积累与优势,我国具有世界上最大的微流控芯片市场,用中国的芯片产品占领这一-市场是我国科学家责无旁贷的使命。

2015年,我国微流控芯片行业市场规模达到25.7亿元,比2014年同比增长8.2%.2015年,我国微流控芯片行业产量达到692.45万个,比2014年同比增长8.7%;需求量达到717.56万个,比2014年同比增长8.4。

近年来我国微流控芯片研究取得了突破性进展,弓|起产业界的极大关注。目前已涌现出-批在很大程度上具有不可替代性的关健性技术,并逐渐形成以生命科学为代表,覆盖面很宽的应用领域,例如最近发展起来的器官芯片、液滴微流控芯片。未来来几年内,如果将微流控芯片与“生物手机”、”互联网+”进一步结合,这样一个由一种新兴技术弓|发的可能具有全局性影响的趋势,是否能够因此诞生--批”风口”行业值得大家期待。

 

 

微流控芯片技术发展趋势

 

1)基于液滴微流控的超高通量筛选技术将对新药研发、生物工程酶的改进、结构生物学研究起到关键的推进作用;

2)微流控技术将成为单细胞分析的核心工具,促进单细胞基因组学、蛋白组学、代谢组学的发展,从单细胞层次揭示新的分子机制、信号传导和代谢通路;

3)以数字PCR芯片和循环肿瘤细胞CTC捕获芯片为代表的新型“液体活检”诊断工具,将可能突破当前癌症早期诊断和术后疗效评估存在的技术瓶颈,成为新的癌症诊断标准;

4)器官芯片和人体芯片技术的继续发展,可能在芯片上构建用于药物研究的仿生人体,从而显著降低当前新药研究成本和研发周期;

5)微流控技术将在即时检验中扮演着越来越关键的作用,在传染病检测、环境监察、食品安全检测、农残检测、家用医疗仪器等方面具有强大的市场前景。

 

微流控芯片的发展前景

微流控分析芯片最初只是作为纳米技术革命的一个补充,在经历了大肆宣传及冷落的不同时期后,最终却实现了商业化生产。微流控分析芯片最初在美国被称为“芯片实验室”,在欧洲被称为”微整合分析芯片”,随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展,微流控芯片也得到了迅速发展,但还是远不及“摩尔定律“所预测的半导体发展速度。

原则上,微流控芯片可以用于各个分析领域,如生物医学、新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应用领域,其中生物分析是热点。目前其应用主要集中在核酸分离和定量、DNA 测序、基因突变和基因差异表达分析等。另外,蛋白质的筛分在微流控芯片中也已有报道针对病原微生物基因组的特征性片段、染色体DNA 的序列多态型?基因变异的位点及特征等,设计和选择合适的核酸探针,经PCR 扩增后检测,就能获得病原微生物种属、亚型、毒力、抗药、致病、同源性、多态型、变异和表达等信息,为疾病的诊断和治疗提供一个很好的切入点。

国际上公认的PCR 产物检测共有五种方法,按其灵敏度高低顺序排列为: 毛细管电泳法、固相杂交法、液相杂交法、高压液相杂交法和凝胶电泳法(不推荐临床)。微流控芯片CE 以毛细管电泳为该芯片主体,无需进行探针杂交,受检样品的信号获得率接近百分之百。微流控芯片CE 可检测15~7500bp范围的PCR 产物,分辨率可达20bp,样品微量化使扩散进一步减少,分离效果极好,每孔可供多个不同的PCR 产物作同时分析。

我国在微流控分析方面的研究虽然起步较国外晚了四到五年,但在多个相关的学科领域都具有足够的积累与优势,我国具有世界上最大的微流控芯片市场,用中国的芯片产品占领这一市场是我国科学家责无旁贷的使命。多名微流控领域的专家也将参加在上海举办的先进体外诊断技术峰会,共同对微流控的先进技术进行总结和分析,对我国的微流控芯片研究领域进行更多的解读。相信经过不懈的努力,微流控芯片蓬勃的发展在我国很快将会到来。

 

 

本文转自:电子发烧友

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