一文看懂微流控晶片的工作原理

2020-12-06 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：流動現象、基本原理及研究進展
    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。
  • 微流控晶片檢測技術_微流控晶片是否有前景
    微流控晶片檢測技術 　　微流控晶片檢測器的性能要求檢測是微流控晶片裡相對特殊的一一個操作單元，它的基本功能是用於捕捉並放大微流控晶片某一部分產生的信號。 　　3.特殊的結構 　　考慮到檢測器要與晶片的微通道尺度相匹配，並使得總體分析系統微型化，微流控晶片檢測器還應該具備特殊的結構以適應於晶片耦合，達到集成化要求。 　　4.體積小成本低 　　微流控檢測器的功能與分類： 　　微流控晶片檢測器一般按其檢測原理進行分類。
  • 微流控晶片製作方法詳解
    歡迎關注公眾號微流控科技掃描文末二維碼，加入微流控科技交流群暢聊
  • 微流控晶片:流動現象、基本原理及研究進展
    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。
  • 微流控晶片為什麼這樣強悍
    微流控晶片的原理 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。自1992 年微流控晶片CE 首次報導以來，進展很快？首臺商品儀器是微流控晶片CE ( 生化分析儀，Aglient) ，可提供用於核酸及蛋白質分析的微流控晶片產品。
  • 微流控晶片簡介與應用
    微流控晶片是微流控技術的下遊應用單元，通過微電子機械系統（MEMS）技術，微流控晶片能夠在固體晶片表面構建微型生物化學分析系統，能夠快速、準確地實現對蛋白質、核酸以及其他特定目標對象的處理和檢測，被業界譽為「晶片實驗室」。
  • 技術解析:微流控晶片為什麼這樣強大?
    微流控晶片的原理　　　　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。自1992 年微流控晶片CE 首次報導以來，進展很快？首臺商品儀器是微流控晶片CE （ 生化分析儀，Aglient） ，可提供用於核酸及蛋白質分析的微流控晶片產品。
  • 微流控晶片與基因診斷關係的研究進展
    微流控晶片製備方法實驗室製備微流控晶片需要採用電子計算機輔助軟體設計出簡易型或者複雜型的微流控晶片圖紙，應用雷射雕刻技術在由聚二甲基矽氧烷、聚吡咯烷酮、線性聚丙烯醯胺、聚二甲基丙烯醯胺、羥乙基纖維素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酯等混合材料製備的雙面黏性薄膜上切割出微米級、納米級的微流控晶片流體通道，
  • 【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。
  • 微流控晶片的發展趨勢及前景分析
    由於微米級的結構，流體在微流控晶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。 　　微流控晶片組成結構 　　微流控晶片的結構由具體研究和分析目的決定，設計和加工微流控晶片片基開展微流控晶片研究的基礎。
  • 離心式微流控晶片之虹吸閥(2)
    虹吸閥利用虹吸現象，虹吸管未填充前，閥可以承受高速旋轉；流體填充虹吸管道後，通過晶片旋轉生成的離心力而發生虹吸現象，閥打開。虹吸閥中虹吸管的填充是虹吸閥工作中的一個關鍵問題，一般利用毛細填充。 離心微流控平臺能夠在晶片徑向提供一個虛擬的人造重力場。圖１顯示了離心平臺上液滴由於旋轉所受到的力。圖中圓盤基底以角速度 ω 及角加速度 α 旋轉。
  • 多器官微流控晶片技術及其應用
    ahhednc多器官微流控晶片的設計原理多器官微流控晶片將不同器官和組織的細胞在晶片上培養，以微通道相連，實現多器官集成化，以考察其相互作用或建立一個系統，用於體外藥物篩選。晶片中可集成數個經過特殊設計的微培養室、灌注通道並同時培養多種細胞，利用微流控技術可以產生精確可控的流體剪切力、周期性變化的機械力和溶質濃度梯度變化的灌注液。
  • 第六屆微流控晶片高端論壇在廣州召開
    在本次報告中，楊教授著重介紹了課題組在這一領域的最新進展。楊教授團隊開發了一種帶有單細胞固定和遷移通道的微流控晶片，研究來自同一細胞系的癌細胞遷移異質性。利用機械約束可調的微流控晶片控制癌細胞的集體遷移，並通過單細胞轉錄分析，系統的研究了主導細胞和追隨細胞的EMT相關基因表達的異質性。
  • 數字微流控生物晶片的電極管腳控制信號處理
    微流控晶片實驗室又稱為微流控(Microfluidics)晶片、晶片實驗室(Lab-on-a-Chip，LoC)或生物微機電系統(bio-MEMS)，基於連續流體的微流控生物晶片又稱為數字微流控生物晶片(Digital MicrofluidicBiochip，DMFB)。
  • 微流控晶片紡織螺旋纖維
    近日，東南大學生物醫學工程學院趙遠錦教授領導的研究小組提出了一種基於微流控晶片紡織仿生螺旋纖維的方法（如圖1）。該方法藉助於共軸毛細管微流控系統，通過調節多相流體在微流控通道中的流動行為，再結合流體的快速凝膠化，就可得到具有連續螺旋結構的微米纖維，纖維的螺距也可通過流體精確調控。
  • 微流控自動化|微流控晶片介紹及發展前景
    微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數十到數百微米）處理或操縱微小流體（體積為納升到阿升）的系統所涉及的科學和技術，是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫學工程的新興交叉學科。
  • 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·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。
  • 東南大學趙遠錦:微流控器官晶片研究
    2019（第三屆）微流控晶片前沿研討會將繼續邀請到領域內的知名專家、學科代言人和產業先鋒，一起探討微流控晶片給基礎科研和臨床診療帶來的巨大變革，同時討論微流控在體外診斷、食品安全、環境監測等方面的產業機遇。東南大學趙遠錦教授受邀出席本次大會！
  • 微流控晶片的製作技術以及加工薄膜的方法
    什麼是微流控晶片微流控晶片(MicrofluidicChip) ，又稱為晶片實驗室(Lab-on-a-Chip)或生物 晶片。是利用MEMS技術將一個大型實驗室系統縮微在一個玻璃或塑料基板上，從而複製複雜的生物學和化學反應全過程，快速自動地完成實驗。