一文看懂微流控芯片的工作原理

微流控技術的起源

微型化、集成化和智能化，是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個重要趨勢。伴隨著微機電加工系統(tǒng)(MEMS )技術的發(fā)展，電子計算機已由當年的“龐然大物“ 演變成由一個個微小的電路集成芯片組成的便攜系統(tǒng)，甚至是一部微型的智能手機。

MEMS技術全稱Micro Electromechanical System，MEMS設想是由諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman教授于1959年提出，其基本概念是用半導體技術，將現(xiàn)實生活中的機械系統(tǒng)微型化，形成微型電子機械系統(tǒng)，簡稱微機電系統(tǒng)。

1962年全球第一款微型壓力傳感器面世，這一創(chuàng)新產(chǎn)品后來被應用于汽車安全(輪胎壓力檢測)和醫(yī)療(有創(chuàng)血壓計)，開啟了MEMS時代。今天MEMS技術在軍事、航天航空，生物醫(yī)藥、工業(yè)交通及消費領域扮演核心技術的角色，智能手機中就嵌入了多個MEMS芯片，如麥克風，加速度計，GPS定位等。

微流控芯片的特點

芯片集成的單元部件越來越多，且集成的規(guī)模也歸來越大，使著微流控芯片有著強大的集成性。同時可以大量平行處理樣品，具有高通量的特點，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析樣品所需要的試劑量僅幾微升至幾十個微升，被分析的物質的體積甚至在納升級或皮升級。

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

微流控芯片的工作原理

微流控芯片采用類似半導體的微機電加工技術在芯片上構建微流路系統(tǒng)，將實驗與分析過程轉載到由彼此聯(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芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進行一種或連續(xù)多種的反應。激光誘導熒光、電化學和化學等多種檢測系統(tǒng)以及與質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，對樣品進行快速、準確和高通量分析。微流控芯片的最大特點是在一個芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復合體系的微全分析系統(tǒng)?微型反應器是芯片實驗室中常用的用于生物化學反應的結構，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。其中電壓驅動的毛細管電泳(Capillary Electrophoresis，CE) 比較容易在微流控芯片上實現(xiàn)，因而成為其中發(fā)展最快的技術。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，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(shù)分鐘內完成對數(shù)百種樣品的平行分析。

微流控芯片的工作原理圖

微流控芯片技術在水環(huán)境污染中的應用

1、用于水體中重金屬檢測的微流控芯片系統(tǒng)

隨著工農業(yè)的發(fā)展，越來越多的重金屬如汞、鉻、鉛、銅、鎳、釩等被排放入水體，不僅會對水生動植物產(chǎn)生毒害作用，還能通過富集作用進入生物鏈，對整個生態(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，或者對一個區(qū)域進行連續(xù)監(jiān)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，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，成功地對硝酸鈷進行了測定。與此同時，通過簡單的改造之后，該微全分析系統(tǒng)還能成為檢測過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，成為一種自帶無線信號發(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，相對于具有類似功能的微流控設備，它具有操作簡單，不需要外援設備，可多元檢測等優(yōu)點，開發(fā)出了一種可以用來檢測多種重金屬的紙芯片，顯示了良好的靈敏度。

2、用于水體中營養(yǎng)鹽測定芯片系統(tǒng)

用于營養(yǎng)鹽測定的微流控芯片系統(tǒng)多數(shù)是基于分光光度的檢測原理，運用現(xiàn)代微細加工技術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(tǒng)，該系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)的發(fā)射裝置，可以在目標區(qū)域的不同位置分別布置對該區(qū)域的磷酸鹽污染狀況進行全方位的實時監(jiān)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，實現(xiàn)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。

3、用于水體中有機污染物分析芯片

水體中除含有無機污染物外，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(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康，因此有機污染物的數(shù)量是評價水體污染狀兄的極為重要的指標。這一類污染物由于其含量較低，通常需要進行前期的預處理，微流控芯片的優(yōu)點體現(xiàn)在可以將前期的預處理以及后期的檢測進行集成，并且具有較高的萃取/富集效率等。

4、用于水體中微生物檢測芯片系統(tǒng)

水體中的微生物按其粒徑，屬于顆粒有機碳范圍，其種類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(guī)監(jiān)測指標。在其測定過程中，流式細胞術是最為準確、快速的方法。但其設備昂貴、體積龐大、需要專人操作，不適合現(xiàn)場、連續(xù)監(jiān)測要求，基于鞘流式流體控制的微流控芯片的出現(xiàn)在一定程度上克服了這些局限，并可能實現(xiàn)儀器的集成化、小型化、自動化和便攜化。