微流控晶片:流動現象、基本原理及研究進展

2021-01-19 科學出版社

隨著微流控晶片（microfluidic chips），又稱為晶片實驗室（lab on a chip）或微全分析系統（μTAS）技術的飛速發展，微尺度流動的基礎研究逐漸形成規模。微流控晶片以微尺度下流體輸運為平臺，通過對流動的操控，實現化學分析、藥物篩選、細胞培養等多種功能。在這種微尺度系統中，涉及化學、生物及細胞、器官中的流動，需要在低雷諾數層流、非牛頓流、生物流體等理論基礎上，針對微尺度流動特點開展研究，考慮動電效應、界面效應、多物理場耦合效應等。目前，微流控正在向納米流控晶片發展，並且在納米醫學、器官晶片等新領域逐漸發揮重要的作用，一些新的流動現象已引起國內外相關領域的極大關注。

數字微流控技術基於電潤溼的基本原理對液滴進行各種方式的操控，並構建電極陣列以實現複雜的生物、化學分析，是目前生物微晶片研究中一個極具應用前景的新領域。現有的研究表明，電潤溼技術適用於範圍非常廣泛的流體介質，從離子流體（ionic liquid）和有機溶劑，到生理液體（血液、汗液、牛奶等）、含蛋白質和細胞等。Abdelgawad等發展的全地形液滴驅動（all-terrain droplet actuation, ATDA）技術，在各種形狀，甚至是柔性的固體表面上實現了DNA的處理和提純，這些結果大大擴充了數字微流控技術的應用範圍。

 


聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction, PCR）是目前廣泛採用的利用聚合酶進行DNA序列擴增的生物技術。對新冠病毒的核酸檢測方法基本採用PCR技術。這是獲得臨床批准的，也是最廣泛應用的技術。現有的PCR-EWOD 微晶片大致有兩種構架：一種是通過加熱和冷卻控制含PCR混合物的液滴所處位置的溫度，來實現PCR反應，其中溫度大致在65~94℃變化；另一種是驅動液滴在溫度恆定的低溫區（約64℃）和高溫區（約95℃）之間運動。Chang等利用數字微流控技術，率先在一塊微晶片上實現了登革熱Ⅱ型病毒的聚合酶鏈式反應，提出了數字PCR技術。



如上圖所示，他們設計的PCR-EWOD 微晶片分為三個區域，即引物和目標DNA的液池區、混合區、PCR反應器，晶片尺寸是6.5cm×4.5cm。液滴的運動依靠電壓為12VRMS、頻率為3kHz的交流電潤溼來控制。為了產生進行PCR反應必需的精確溫度場，實驗中採用了溫度傳感器進行實時的溫度監控，並基於神經網絡的預測控制方案設計了溫度控制系統。溫度傳感器和加熱器的電流分別是4mA和240mA。實驗中，EWOD技術用於產生和運送包含生物樣品的液滴，DNA樣品的混合和放大也在同一塊晶片上進行。首先，含有引物和DNA樣品的液滴從各自的液池中生成，其體積約為730nL。兩個液滴被運送到數字控制的2×2的混合電極陣列上合併，並通過開關電極使之充分混合，然後移動到PCR反應器。在經過25個變形、退火和延伸循環後，完成了PCR擴增。整個PCR反應過程耗時55min，總共消耗樣品15μL，與常規的PCR技術相比，分別下降了50％和70％。

 

Sista等進一步發展了PCR-EWOD技術，通過將液滴兩個不同溫度區域輸運，在12min內完成了40個PCR循環。最近，Hua等構建了多路實時PCR平臺，可以同時進行不同樣品、多重目標的PCR擴增，且放大效率高達94.7％。這些研究工作顯示了數字微流控非常廣闊的應用前景。

 


微流控晶片設計中流動控制是關鍵，器件的優化和設計的創新往往來自對物理規律的深刻理解。不同學科的交叉融合才可能迸發出新思維火花。


基於這種理念，《微流控晶片中的流體流動》一書從流體力學基本理論出發，針對微流控晶片的特點，分析微尺度流動基本規律和實際應用，期望為微流控晶片領域研發人員和研究生了解、掌握微流體運動基本原理和分析方法提供幫助。


同時，本書作者根據近年來在微流動研究方面的積累，向讀者介紹微流控晶片中的流動現象、基本原理和相關應用，以便讀者了解這一領域的研究進展，促進微流體力學的深入發展。



《微流控晶片中的流體流動》

李戰華，吳健康，胡國慶，胡國輝　編著

責任編輯：牛宇鋒

ISBN：978-7-03-033520-3


本書針對微流控晶片中的流體操控，從流體力學的角度講解了流體流動的機理。其中，緒論闡述了微尺度流體力學研究的主要內容和微流動的主要特點。後續章節根據晶片中流動介質的不同分為簡單介質流動和複雜介質流動，具體安排如下：簡單介質流動按照驅動流動的主要梯度量——壓力、電場、濃度和溫度分為壓力驅動流(第2章)、電驅動流(第3章)和傳質與傳熱(第4章)；複雜介質流動分為微管道內的液滴運動(第5章)。表/界面浸潤(第6章)、粒子與細胞的運動(第7章)。為了使讀者了解微流動的研究方法，增加了微尺度數值模擬(第8章)和微尺度流動測量(第9章)。


各章先介紹相關流體運動方程，然後講解基本物理概念和力學原理，同時介紹一些常用工程公式，最後給出幾個應用實例，便於讀者理解公式的使用。


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