一文看懂微流控晶片的工作原理

2020-12-13 電子發燒友

一文看懂微流控晶片的工作原理

發表於 2018-05-10 14:40:23

　　微流控技術的起源

　　微型化、集成化和智能化，是現代科技發展的一個重要趨勢。伴隨著微機電加工系統（MEMS ）技術的發展，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晶片組成的便攜系統，甚至是一部微型的智慧型手機。

　　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教授於1959年提出，其基本概念是用半導體技術，將現實生活中的機械系統微型化，形成微型電子機械系統，簡稱微機電系統。

　　1962年全球第一款微型壓力傳感器面世，這一創新產品後來被應用於汽車安全（輪胎壓力檢測）和醫療（有創血壓計），開啟了MEMS時代。今天MEMS技術在軍事、航天航空，生物醫藥、工業交通及消費領域扮演核心技術的角色，智慧型手機中就嵌入了多個MEMS晶片，如麥克風，加速度計，GPS定位等。

　　微流控晶片的特點

　　晶片集成的單元部件越來越多，且集成的規模也歸來越大，使著微流控晶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，汙染小，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，微流控分析系統在微型化。集成化合便攜化方面的優勢為其在生物醫學研究、藥物合成篩選、環境監測與保護、衛生檢疫、司法鑑定、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。

　　微流控晶片的工作原理

　　微流控晶片採用類似半導體的微機電加工技術在晶片上構建微流路系統，將實驗與分析過程轉載到由彼此聯繫的路徑和液相小室組成的晶片結構上，加載生物樣品和反應液後，採用微機械泵。電水力泵和電滲流等方法驅動晶片中緩衝液的流動，形成微流路，於晶片上進行一種或連續多種的反應。雷射誘導螢光、電化學和化學等多種檢測系統以及與質譜等分析手段結合的很多檢測手段已經被用在微流控晶片中，對樣品進行快速、準確和高通量分析。微流控晶片的最大特點是在一個晶片上可以形成多功能集成體系和數目眾多的複合體系的微全分析系統？微型反應器是晶片實驗室中常用的用於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） 比較容易在微流控晶片上實現，因而成為其中發展最快的技術。它是在晶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，如果在晶片上構建毛細管陣列，可在數分鐘內完成對數百種樣品的平行分析。

　　微流控晶片的工作原理圖

　　微流控晶片技術在水環境汙染中的應用

　　1、用於水體中重金屬檢測的微流控晶片系統

　　隨著工農業的發展，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生毒害作用，還能通過富集作用進入生物鏈，對整個生態環境構成嚴重威脅。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螢光光譜等方法。但是在應對突發性汙染物洩露事件，或者對一個區域進行連續監測的情況下，仍需要快速、高效的檢測工具。使用光刻法搭配溼法刻蝕技術，成功研製了一種微流控晶片，該晶片利用魯米諾發光性質，成功地對硝酸鈷進行了測定。與此同時，通過簡單的改造之後，該微全分析系統還能成為檢測過氧化氫或者二氧化氮的裝置，並可以與信號傳遞裝置結合起來，成為一種自帶無線信號發射功能的設備。

　　基於紙的微流控器件近幾年的發展也很迅速，相對於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，可多元檢測等優點，開發出了一種可以用來檢測多種重金屬的紙晶片，顯示了良好的靈敏度。

　　2、用於水體中營養鹽測定晶片系統

　　用於營養鹽測定的微流控晶片系統多數是基於分光光度的檢測原理，運用現代微細加工技術將各種光電元件加以集成，例如，一種用於水體中磷酸鹽檢測的微流控晶片系統，該系統配有數據的發射裝置，可以在目標區域的不同位置分別布置對該區域的磷酸鹽汙染狀況進行全方位的實時監測，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晶片，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，實現了溶液中銨根正離子反應、生成的氨氣擴散分離、吸納、溴百裡酚藍顯色和光度檢測在微流控晶片上的集成化。

　　3、用於水體中有機汙染物分析晶片

　　水體中除含有無機汙染物外，更大量的是有機汙染物，它以有毒性和使水中溶解氧減少的方式對生態系統產生影響，危害人體健康，因此有機汙染物的數量是評價水體汙染狀兄的極為重要的指標。這一類汙染物由於其含量較低，通常需要進行前期的預處理，微流控晶片的優點體現在可以將前期的預處理以及後期的檢測進行集成，並且具有較高的萃取/富集效率等。

　　4、用於水體中微生物檢測晶片系統

　　水體中的微生物按其粒徑，屬於顆粒有機碳範圍，其種類群可以反映水體生態特徵和一些重要的汙染狀況，是水體生態調查中的常規監測指標。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，不適合現場、連續監測要求，基於鞘流式流體控制的微流控晶片的出現在一定程度上克服了這些局限，並可能實現儀器的集成化、小型化、自動化和便攜化。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 微流控晶片細胞分析技術的分類及優點
    晶片細胞分析技術的分類 細胞操縱 微流控晶片細胞操縱是將細胞運送到預定的位點，將其固定後，進行細胞成分、結構和功能等分析。通常地，這還包括了對目標細胞的分離和篩選。在微流控晶片上運送和固定生物細胞，要求操作簡便、高效，同時能保持細胞活性。目前在微流控晶片上進行細胞操縱的方法主要有:機械操縱法、光學操縱法、電場操縱法和磁力操縱法等。
  • 西安勵德推出微流控晶片加工平臺,助力晶片實驗室發展
    西安勵德微系統科技有限公司在MEMS工藝的基礎上開發出一套微流控晶片加工工藝，提供多種基底選擇，例如矽基、玻璃和聚合物等，解決了微流控晶片多結構異形面一體加工、非等深微流道、小尺寸微柱陣列、界面密封等技術製造難題，在生物醫藥、水質檢測、有機合成、細胞培養和篩選等方面都有廣泛的應用。
  • 【盤點】微流控晶片技術應用,助力精準醫療發展
    因此，分子診斷是精準醫療的重要組成部分，為精準醫療提供保障，而微流控晶片是其常用技術之一，近年來發展迅速，應用廣泛。按照技術原理，可暫將分子診斷技術大致劃分為PCR技術、分子雜交、基因測序、核酸質譜、生物晶片（包括基因晶片、微流控晶片）5大類。今天就為大家分析介紹微流控技術的相關情況。
  • 第六屆微流控晶片高端論壇在廣州召開
    劉大漁 華南理工大學附屬廣州市第一人民醫院報告題目：《微流控晶片：國內IVD行業的基於與挑戰》劉大漁課題組工作於臨床檢驗第一線，其研究目的是針對臨床檢驗工作中的通電問題，針對性的發展創新微流控診斷技術。
  • 「微流控·博士公開課」聚合物微流控晶片加工技術(上)
    公開課介紹你是否苦於沒有專業平臺了解微流控乾貨？你是否想掌握最全面深度的微流控知識？歡迎來到由含光微納傾情打造的國內首檔微流控博士公開課。含光微納特邀行業知名博士級專家授課，與數十位博士聯袂打造最專業的微流控知識分享欄目！博士公開課將成為微流控行業有深度的技術交流、專業知識分享平臺。這裡有微流控領域最深度的內容、最專業知識、最前沿的行業動態。
  • 微流控晶片設計在POCT產品設計中的重要性
    一次性晶片耗材通常需要以簡單的方式整合複雜的功能，並且體積儘可能小。因此往往採用高精度微流控盒的形式。採用微流控晶片的設計在成功開發完整的體外診斷儀器系統中起著重要的作用，其中易用性、高通量和每次測試的成本是重要因素，因此將微流控晶片設計在開發儀器之前執行尤為重要。
  • 微流控晶片五大優點及四大缺點分析
    （三）檢測試劑消耗少 　　由於集成檢測的小型化，使微流控晶片上的反應單元腔體非常小，雖然試劑配方的濃度可能有一定比例的提高，但是試劑使用量遠遠低於常規試劑，大大降低了試劑的消耗量。 　　微流控的四大缺點 　　（一）核心技術缺乏規範和標準 　　一個成熟的微流控產品，往往需要配套使用的試劑，核心的微流控晶片
  • 微流控晶片表面親水、疏水技術
    打開APP 微流控晶片表面親水、疏水技術 發表於 2020-03-21 09:53:00 微流控晶片技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的晶片上， 自動完成分析全過程。
  • 微流控自動化|微流控晶片行業發展及自動化設備
    微流控裝置的發展為醫學研究創造出難以置信的機遇。由於液體活檢、傳染病檢測和個性化醫療的應用前景廣闊，近幾年來微流控裝置市場的蓬勃發展。中國製造2025該計劃針對10大高科技行業，包括「生物製藥和高級醫療產品」。
  • 集百家眾長——第五屆微流控晶片高端論壇暨產業峰會(大會報告篇)
    在報告中林炳承以其大連研究團隊的近期工作結合微流控晶片研究和產業化的新進展深刻並且扼要的闡述了其對微流控晶片這一「顛覆性」技術的看法。PDMS材料，依據體內細胞與細胞、細胞與培養介質、組織與組織間、器官與微環境間相互作用的特性以及流體力學原理，設計和製作了一個能夠接近肺解剖結構、模擬肺生理功能的微流控晶片仿生肺模型。
  • 體外診斷行業專題報告:微流控晶片,高精度+自動化的新藍海
    由於需要驅動和控制微流體的流動，以及對於溫度和自動化的控制等因素，制 作時需要在微流控晶片上安置電器設備，這也是微流控晶片的必要部分。有鑑於此，微流控晶片技術對於材料的選擇需要滿足以下原則：（1）晶片材料所需要的介質應有足夠 的化學和生物相容性，不能發生反應，否則會對晶片造成損害。（2）晶片材料具有電絕緣性和散熱性，以 便於更好進行作業。
  • 微流控晶片開發:用於環境分析的微流控技術
    在宏觀或工業規模上開展既定工作後，雖然可以輕鬆捕獲和保留某些汙染物，但檢測極限和當前可用技術的成本仍然是主要障礙，而關於使用微流控技術收集和檢測汙染物例如重金屬離子，揮發性有機化合物，有機和無機離子，細顆粒物，甚至微生物方面的應用越來越多了。因此導致微流控技術在環境分析的應用得到了快速發展。
  • 第七屆微流控晶片高端論壇圓滿落幕 來年杭州再約
    基於微流控技術，楊教授團隊發展了高效核酸適體篩選方法，獲得多條可識別不同CTC 的高親和力、高特異性核酸適體序列；利用流體調控與表界面調控技術，構築了基於細胞尺寸與生物識別特性協同捕獲的微流控微柱陣列晶片，實現了CTC 的高效捕獲與無損釋放；藉助微流體器件的精準操控優勢，開發了一系列高通量單細胞分析方法，用於揭示CTC的分子病理信息。
  • 中科院聯合香港城市大學開發胃癌檢測微流控晶片
    中科院聯合香港城市大學開發胃癌檢測微流控晶片 2020-08-07 15:59 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
  • 創懷醫療獲華大集團基金領投數千萬融資,創國內微流控晶片領域最大...
    基層是微流控的市場所在 　　微流控晶片被稱作「晶片上的實驗室」，可以將以往要在大型實驗室才能完成的檢驗壓縮到一張小小的晶片上，微流控具有高度自動化和集成化的優點，通過在固體晶片表面構建微型的反應和分析單元，可以實現對無機離子、有機物質、核酸、蛋白質和其他生化組份快速、準確的檢測。
  • 趙遠錦/商珞然《先進材料》仿生腎臟清潔的多孔凝膠及微流控晶片
    11月，東南大學趙遠錦/復旦大學商珞然教授團隊提出了一種可以同時去除許多不同大小的生物分子技術，並論述了與人字形微流控晶片集成在一起的分級分子印跡反蛋白石顆粒，以進行有效的生物分子清潔。該顆粒具有組合的多孔結構，具有表面和內部印記，可特異性識別小分子和生物大分子。
  • 復旦大學孔繼烈教授談微流控晶片與檢測儀器創新與挑戰
    微流控晶片技術是生物醫學領域的重要前沿方向，具有高通量、多靶點、快速、精準、操作簡便等特點，可廣泛應用於分子生物學、醫藥、免疫等領域。近日，復旦大學孔繼烈教授就微流控技術以及其團隊在微流控技術產業化方面的進展做了詳細報告。
  • ITL資源|樹立微流控行業標杆的研發翹楚~
    微流控微流體學源於1990年代初期，在尺寸從數十到數百微米的通道網絡中操縱和控制流體的科學，使用微通道的小型設備處理或操縱少量流體的系統技術。ITL集團-微流體領域全球領先者ITL集團的解決方案可用於微流體技術和納米流體應用，提供更好的微流控制，自動化，精度和易用性。作為微流體技術的先驅，ITL已經確立了微流體控制的標準，並努力保持在科學技術創新的最前沿。
  • 淺析3D列印在微流控器件系統集成中的應用
    打開APP 淺析3D列印在微流控器件系統集成中的應用 胡薇 發表於 2018-11-19 08:45:14 微流控器件的複雜製備過程一直困擾著微流控技術的商業化進程。
  • 復旦大學設計並成功製備了一種簡化但功能性和適用性強的微流控...
    復旦大學高分子科學系丁建東課題組運用先進的微加工技術以及有限元分析，設計並成功製備了一種簡化但功能性和適用性強的微流控細胞拉伸晶片。 常規的微流控拉伸晶片由三層組成，即彈性膜層夾在兩個微通道層之間。製作這種微流控晶片需要進行對準和多次鍵合，而且兩側空腔的薄膜也需要去除，這極大地增加了製備晶片的難度。丁建東課題組設計了獨特的兩層微流控拉伸晶片。