微流控光纤芯片的研究
微流控免疫芯片检测方法的研究进展
２ １ 年 ５月 ０１
高 等 学 校 化 学 学 报
ＣＨＥＭＩ ＡＬＪ Ｃ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＮＥＳ ＨＩ Ｅ ＵＮＩ ＶＥＲＳＴ ＥＳ ＩＩ
Ｎｏ． ５
１ ０１～１ ０ ０ ０７
［ 综合 评 述 ］
微 流 控 免 疫 芯 片 检 测 方 法 的 研 究 进 展
强拉曼散射检测 、 光纤 检测 、 表面等离子体共振谱检测 、 热透镜显微镜检测和 比色检测等 光学 检测及其它新
型 检 测 方 面 的 进 展 ，并 展 望 了其 发 展 前 景 ． 关键词 微 流 控 芯 片 ；免疫 分析 ； 测 方 法 检
０ ５ ６７ 文献标识码 Ａ 文章 编 号 ０ ５ －７０（０ １ ０ — ０ －７ ２ １ ９ ２ １ ） ５１ １ ０ ０ ０
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ受 到 了关注 ， 中 ， 其 荧光 、 化学 发 光 和 生物 发 光
、 面 等 离 子体 共 振 － ］ 光 纤 表 ２及 ４
等光
学 检测 方法 和 电化 学 检测方 法 卜 已成为 微流 控免 疫芯 片 的常 见检 测 手段 ．此外 ， 有 一些 如共 振 还 声 传感器 及 电免疫 传感 器 等 新 型检测 技术 ．本文综 述 了近 几年 微流 控芯 片免 疫检 测方 法 的进展 ， 并 展望 了其发 展前 景 ．
中图 分 类 号
微 流控芯 片 （ ｉｒｆ ｉｉ ） 指在 几平方 厘 米 的单 晶硅 片 、 英 、 Ｍｃｏｕｄｃ 是 ｌ ｓ 石 玻璃 或有 机 聚合物 等 材料上 刻 制
微通 道 ， 实现样 品预处理 、 并 反应 、 离和 检测 的微 型实验 室 ．自 ２ 纪 ９ 分 ０世 ０年代 初 Ｍａ ｚ ｎ 等 。 出微 提 全分 析 概念 以来 ， 流控芯 片技 术 迅 速发 展 ．微 流 控 芯 片上 刻 有 大 比表 面 积 的微 通 道 ，可 以 高通 量 、 微 高效 、 速地 完成各 种 微分析 检测 ，并具有 试 剂用 量 少 、 本 低 和 环保 等 优 点 ， 已在 细胞 分 析 。 、 快 成 现 ｊ 离子 和小分 子分 析 、 免疫 分 析 、 因分析 ， 基 ｍ 和蛋 白质 分 析 鉴定 ¨ 等 领 域 获得 了广 泛 的应 卜 用 ．如本课 题组 近年 来设 计 和 制作 了纳 米 沸 石 修饰 的 聚 甲基 丙 烯 酸 甲酯 （ ｏｙ ｔｙｍ ｔａｒｌ ｅ Ｍ— Ｐ ｌ ｈ ｌ ｅｈｃｙａ ，Ｐ ｍｅ ｔ ＭＡ） 微流控 酶 反应 器 Ｈ ， 聚糖／ 明质 酸 层 层 组 装 的 聚对 苯 二 甲酸 乙 二醇 酯 ［ ｏｙ ｅ ｙ ｎ ｅｅｈ 壳 透 Ｐ ｌ（ ｔ ｌ ｅｔ ｐ — ｈｅ ｒ ｔａａ ） Ｅ 微流 控酶 反应 器 ¨ ｈ ｌ ｅ ，Ｐ Ｔ］ ｔ 、纳米 金胶组 装 的 Ｐ Ｔ微 流控 酶反应 器 ¨ Ｅ 、基于二 氧化 硅溶 胶凝 胶 微 流控酶 反应 器 ¨ 等 用于 蛋 白质 的快 速酶 解 ， 现 了低 量蛋 白的高效 分 析鉴定 ．将 建 立 的新方 法和 实 新技 术 应用 于复 杂生物 样 品的分 析研 究 ， 为实 现 功能蛋 白的分 离分 析 、分 子相 互作 用 及 单细 胞 蛋 白质 组 分析 提供 了技术 平 台．设 计 的 （ 甲基丙 烯酸 甲酯 ）－ （ ｘＥ 甲基 丙烯 酰 氧基 ） ． 丙基 三 甲氧基 硅 烷 ］ 性 改
微流控芯片技术的研究与应用
微流控芯片技术的研究与应用微流控芯片技术是一种基于微纳米加工技术和流体力学理论的高新技术，它能够将微小的液体或气体精准地操控和管理，广泛应用于化学、生物、医学等领域。
下面将从微流控芯片技术的原理、研究进展和应用前景三个方面进行介绍。
一、微流控芯片技术的原理微流控芯片技术的核心在于微流体控制，其原理主要涉及微小液滴、微小通道和微型阀门。
微小液滴是指微流控芯片内的微小液体颗粒，它们可以根据通道的设计被精准地分配和传输。
微小通道是指微流控芯片内的微型管道，它们是控制微小液滴流动的重要组成部分。
微型阀门是指微流控芯片内的小型控制元件，可以通过外部控制开启或关闭，从而实现微小液滴的控制。
微流控芯片技术基于微型流体的行为，可以将微小液滴进行混合、分离、反应等操作，从而实现微流体组件的各种功能。
通过微型通道和微型阀门的调节，可以精确地控制微小液滴的数量、位置和流动速度，从而大大提高实验的准确性和可重复性。
二、微流控芯片技术的研究进展随着微纳米加工技术的发展和工艺的不断完善，微流控芯片技术得到了广泛的研究和应用。
目前，微流控芯片技术已经成功地运用在细胞培养、DNA分离、蛋白质分析、药物筛选等领域，并获得了许多重要的研究成果。
在细胞培养方面，微流控芯片技术可以提供一个更为真实的模拟环境，促进细胞生长和分化，并可用于监测细胞行为、繁殖和死亡的特征。
在DNA和蛋白质分析方面，微流控芯片技术可以更快速、更准确地识别DNA和蛋白质的特征，从而为基因和蛋白质组学研究提供了一个高效的平台。
在药物筛选方面，微流控技术可以更快速、更精准地评估药物候选物的活性、毒性、代谢和药效学特征，为药物研发提供更加可靠的数据基础。
三、微流控芯片技术的应用前景由于其精准、高效、低成本、可自动化等优势，微流控芯片技术已经成为生物医学、环境监测、材料科学等领域的热点研究方向，并逐渐应用于工业生产和医疗诊断中。
在生物医学领域，微流控芯片技术可以用于诊断、治疗和预测疾病，如癌症、心血管疾病、神经疾病等。
微流控芯片技术的原理及其应用
微流控芯片技术的原理及其应用随着生物医学技术的逐步发展，微流控芯片技术逐渐成为研究生物科学领域的重要工具。
微流控芯片技术是一种将液体微小化的技术，通过微通道和微结构控制液体的流动，从而实现对微小的流体样本的操控和分析。
本文将详细介绍微流控芯片技术的原理和应用。
一、微流控芯片技术的原理微流控芯片技术是一种基于微纳米尺度结构和微通道的流体控制技术。
它通过制造微通道和微结构，将液体分割成非常微小的体积，从而控制和操作微小的流体体系。
微流控芯片可以分为两个部分：微通道和微结构。
微通道是用于控制微小液滴和海绵多孔的通道系统。
海绵多孔是指微通道中的特殊结构，可以用来创建离散液滴或分隔通道。
微流控芯片通过这些微通道和微结构来控制微小液滴或微小的液体分散体系。
对于微流控芯片来说，微小液滴是非常重要的元素。
微小液滴是由小于100微米的液体球体组成的。
由于它们是液体，所以微小液滴之间可以互相合并，而且通过电极可以控制液滴的聚合和分离状态。
在微流控芯片中，微小液滴通常是由吸头和压力控制系统产生的。
微流控芯片技术的原理一般分为三个步骤：样品输入、反应和检测。
首先，将样品输入到微流控芯片上。
其次，样品会经过一系列的反应过程，例如混合、稀释、分隔等等。
最后，对反应后的产物进行检测。
二、微流控芯片技术的应用微流控芯片技术在生物医学领域中有着广泛的应用。
它能够用于细胞分数、免疫分析、基因测序等方面的研究。
下面将具体介绍微流控芯片技术的应用。
1、细胞分数微流控芯片技术可以用于隔离细胞并分析细胞中的生物大分子。
这种技术通过一个海绵多孔来将细胞定位在特定位置，并将细胞从其他细胞中隔离出来。
这种技术对于医学研究很有价值，可以用来研究细胞的分子成分和机制，在探索生物性能和疾病诊断方面具有广阔的应用前景。
2、免疫分析免疫分析是一种常用的免疫学方法。
在传统的免疫分析中，技术人员需要进行样本的制备和处理，这个过程常常需要耗费大量的样品和试剂。
微流控芯片设计与制造工艺创新与优化探讨
微流控芯片设计与制造工艺创新与优化探讨概述：微流控芯片是一种用于实现微小尺度流体操控的新型芯片。
它在生物医学、化学分析、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
本文将讨论微流控芯片的设计与制造工艺方面的创新与优化探索。
一、背景：微流控芯片由微型孔道和微型混合室组成，通过精确的流体操控，能够实现微小尺度样品的混合、分离、传感等功能。
相比传统的流体控制方式，微流控芯片具有尺寸小、体积小、反应时间短、流体消耗低等优点。
因此，微流控芯片在生物医学、化学分析、环境监测等领域逐渐得到了广泛的应用。
二、设计创新：1. 结构设计：微流控芯片的结构设计对其性能起着重要的影响。
目前，常用的结构设计包括直流模式、喷射模式、无序结构和有序结构等。
直流模式用于混合和分离，喷射模式适用于高通量传输，无序结构适用于混合反应，有序结构适用于温度梯度传递。
在设计微流控芯片时，需要充分考虑样品类型、分析要求和操作流程，选择合适的结构设计。
2. 材料选择：微流控芯片的材料选择对其性能和稳定性有着重要的影响。
常用的材料包括玻璃、聚合物和硅胶等。
玻璃具有良好的透明性和耐腐蚀性，适用于光学检测；聚合物具有成本低、制造工艺简单的优点，适用于快速原型制造；硅胶具有良好的耐高温性和耐腐蚀性，适用于高温和强酸碱条件下的应用。
在选择材料时，需要综合考虑微流控芯片的应用场景和性能需求。
3. 控制方法：微流控芯片的控制方法包括压力控制、电场控制、温度控制和化学反应控制等。
压力控制是最常用的方法，通过控制流体的流速和流量实现流体操控；电场控制可以实现电泳分离和电动混合等功能；温度控制可以实现温度梯度传递和温度变化反应等功能；化学反应控制可以实现样品的混合、分离和检测等功能。
在设计微流控芯片时，需要根据具体应用需求选择合适的控制方法。
三、制造工艺优化：1. 制造材料：微流控芯片的制造材料对其性能和稳定性有着重要的影响。
制造微流控芯片常用的材料包括光刻胶、硅胶和玻璃等。
微流控芯片制备工艺研究及应用
微流控芯片制备工艺研究及应用一、前言微流控芯片是近年来发展较快的一种微流体控制技术，具有样品用量小、反应时间短、操作方便等优点，被广泛应用于化学分析、生物检测、药物筛选等领域。
本文旨在介绍微流控芯片的制备工艺及其应用。
二、微流控芯片制备工艺微流控芯片的制备过程可以分为两个环节，即模具制备和芯片加工。
1. 模具制备微流控芯片制备的第一步就是模具制备。
在制备模具时需要选择合适的材料，通常使用的是光刻胶、光刻硅及深刻蚀金属材料。
然后，采用光刻技术，通过曝光、显影等步骤，将芯片的设计图案转移到模具上，最后利用电极化学加工等工艺，制成微流控芯片的模具。
2. 芯片加工模具制备完成后，就需要进行芯片加工。
首先，需要选取合适的材料，如玻璃、硅片等。
然后，通过热压、蒸镀、离子注入等工艺，将模具上的结构转移到芯片上，形成芯片的微结构。
最后，对芯片进行清洗、封装等工艺，制成完整的微流控芯片。
三、微流控芯片应用微流控芯片的应用领域十分广泛，这里仅介绍其中几个重要的应用领域。
1. 化学分析微流控芯片可以实现对微小样品的检测和分析，对于化学分析领域来说具有极大的应用前景。
目前已有许多研究团队将微流控芯片应用于毒品检测、水质监测、重金属检测等领域，取得了良好的效果。
2. 生物检测微流控芯片与生物学的结合也是十分密切的。
利用微流控芯片可以很方便地进行基因检测、蛋白质检测、细胞分析等生物实验。
与传统实验相比，微流控芯片具有实验时间短、反应速度快等优点，而且不易受外界环境干扰。
3. 药物筛选微流控芯片在药物筛选方面也有着广泛的应用。
微流控芯片拥有微型反应器、组织模型等优势，可以快速筛选出特定药物，具有很高的筛选效率和准确度。
这对于新药研发具有极大的意义。
四、总结微流控芯片技术带来了分析、检测、筛选等领域的革新，具有广泛的应用前景。
在制备过程中需要注意模具制备的工艺以及材料选择问题，芯片的加工工艺也有多种选择。
在应用方面，微流控芯片可以广泛应用于化学分析、生物检测、药物筛选等领域，有着十分重要的意义。
医学检测中微流控芯片的应用
医学检测中微流控芯片的应用医学检验是对病人的血液、体液、分泌物或脱落细胞等标本，进行化验检查，以获得病原、病理变化及脏器功能状态等资料。
医学检验分为临床检验与医学实验技术两方面。
标签：医学检验；化验；临床检验引言检验医学是社会主义现代化建设所需要的、具备基础医学、临床医学、检验医学等方面的基本理论、基本知识和基本技能，知识面宽、能力强，素质高，能在各级医院、血站及防疫等部门从事医学检验及医学类实验室工作的检验医师。
医学检验是对病人的血液、体液、分泌物或脱落细胞等标本，进行化验检查，以获得病原、病理变化及脏器功能状态等资料。
医学检验分为临床检验与医学实验技术两方面。
临床检验是临床医生确诊的必要手段之一，而医学实验技术主要侧重于实验操作方面，为研究所、实验室输送实验师（技师）。
1微流控芯片概述微流控芯片(Microfluidic)，又称芯片实验室(Lab on a Chip)或者微全分析系统(MicroTotal Analysis Systems，μ-TAS)[1]，就是通过分析化学、微机电加工(MEMS)、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化[2]。
这样通常需要在一个实验室中进行的实验可以在一块芯片系统上进行，大大提高了实验速度，减少了所需的样本剂量，节省了昂贵的化学试剂，降低了化学污染。
它充分体现了当今分析设备微型化、集成化与便携化的发展趋势。
目前，微流控芯片主要应用于单核苷酸多样性检测、基因诊断、蛋白质分析等前沿技术领域。
微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件，像集成电路一样集成在芯片材料上[3]。
制作方法在传统的光刻和刻蚀的基础上发展模塑法、热压法、激光切蚀法、LIGA技术和软光刻方法[4]。
2微流控芯片在医学检测中的应用2.1 离子检测离子分析在环境科学、生命科学以及食品工业等许多领域中都有重要的用途。
微流控芯片荧光检测系统研究进展
微流控芯片荧光检测系统研究进展张雯;钱金雄;肖彦革;陈缵光【摘要】A review was given on the recent progress of fluorescence detection systems of microfluidic chip covering years from 1996-2010,relating especially to the principles,optical structures and application of fluorescence detection systems,including laser induced fluorescence （LIF） detection,light-emitting diode（LED） induced fluorescence detection and other fluorescence detections（60 ref.cited）.%评述了1996～2010年以来微流控芯片荧光检测系统的研究进展,主要介绍微流控芯片中荧光检测系统,包括激光诱导荧光（LIF）、发光二极管（LED）诱导荧光和其他荧光检测装置的原理、光路结构及其应用（引用文献60篇）。
【期刊名称】《理化检验-化学分册》【年(卷),期】2011(047)012【总页数】6页(P1495-1500)【关键词】微流控芯片;荧光检测;综述【作者】张雯;钱金雄;肖彦革;陈缵光【作者单位】中山大学药学院,广州510006;中山大学药学院,广州510006;中山大学药学院,广州510006;中山大学药学院,广州510006【正文语种】中文【中图分类】O657.8自微流控芯片问世以来，检测器研究一直是人们关注的热点。
微流控芯片中各种生物和化学过程通常在微米级的通道几何结构内完成，因此，要求其检测器具有灵敏度高、响应速度快、微型化等特点。
荧光检测（Fluorescence Detection，FD）技术因具有准确度好、灵敏度高等特点，是目前微流控系统最常用的检测技术之一。
微流控芯片发展历程
微流控芯片发展历程一、微流控芯片的起源微流控芯片起源于20世纪90年代初，当时美国、加拿大、欧洲等地的多个研究小组开始着手研发微米尺度的流体操作技术。
其中，美国加利福尼亚大学伯克利分校的Fred R.Handy教授和美国密歇根大学的Mark A.Burns教授等人是微流控芯片技术的先驱者，他们在早期对微流控芯片的研究中做出了重要贡献。
早期的微流控芯片主要是利用光刻、微加工等技术，在芯片表面制作微米级的流道和微结构，以实现对微液滴、微粒子等微尺度流体的操控和分析。
随着MEMS（微机电系统）技术的发展，微流控芯片的加工精度和成本逐渐得到改善，为其在生物医学、化学分析等领域的应用奠定了基础。
二、微流控芯片的关键技术微流控芯片是一种集成了微流体控制和微流体分析功能的微型芯片，其关键技术包括微流体传输、微处理器晶圆加工、微流控芯片结构设计等。
这些技术的发展推动了微流控芯片的不断进步，为其在医学诊断、实验室分析、环境监测等领域的应用提供了技术支撑。
微流体传输技术是微流控芯片的核心技术之一，其主要包括微流道设计、微流动操作、微管道连接等方面。
微流道设计是微流体传输技术中最基础的环节，通过光刻和湿法刻蚀等技术，在芯片表面制作微米级的流道和微结构，以实现对微液滴、微粒子等微尺度流体的操控和分析。
微流道设计的关键在于结构的精准和稳定性，需要兼顾通道的宽度和深度，以满足不同尺度和功能的需求。
微处理器晶圆加工技术是微流控芯片加工中的关键环节，其主要包括MEMS技术、微加工技术、光刻技术等方面。
MEMS技术是微流控芯片加工的基础，通过在晶圆表面制作微米级的结构和元件，实现对微流道、微阀门等组件的制作和集成。
微加工技术是微流控芯片加工的关键技术之一，通过湿法刻蚀、干法刻蚀等技术，在晶圆表面形成微流道、微泵等结构，实现对微尺度流体的控制和操作。
光刻技术是微流控芯片加工的基础，通过紫外光曝光、显影、蚀刻等过程，在晶圆表面形成微米级的结构和元件，实现对微流道、微阀门等组件的制作和集成。
微流控芯片的研究及产业化
微流控芯片的研究及产业化一、本文概述随着科技的飞速发展和微纳技术的深入应用，微流控芯片作为一种新兴的技术平台，已经在多个领域展现出巨大的潜力和应用价值。
本文旨在对微流控芯片的研究及产业化进行全面的概述和探讨。
我们将简要介绍微流控芯片的基本概念、特点和优势，阐述其在生物医学、药物筛选、环境监测等领域的重要应用。
我们将重点分析微流控芯片的研究现状，包括芯片设计、制造工艺、检测技术等方面的最新进展。
在此基础上，我们将探讨微流控芯片产业化的现状、面临的挑战以及未来的发展趋势。
我们将提出促进微流控芯片产业化的建议和措施，以期为我国微流控芯片领域的发展提供参考和借鉴。
二、微流控芯片的设计原理微流控芯片，又称微全分析系统（μ-TAS），是一种将生物、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几平方厘米的芯片上的技术。
其核心设计原理主要基于微型化、集成化和高通量的理念。
微型化是微流控芯片最显著的特征之一。
通过微加工技术，在芯片上构造出微米级的流通通道和结构，可以实现对微量样品的高效操控和处理。
这种微型化不仅降低了样品的消耗，还提高了分析的灵敏度和准确性。
集成化是微流控芯片设计的另一重要原则。
通过在芯片上集成多个单元操作，可以实现样品的连续、自动化处理，从而大大简化了实验操作过程，提高了分析效率。
集成化还使得微流控芯片成为了一种便携式的分析工具，便于在现场或实地进行实时分析。
高通量是微流控芯片设计的另一关键目标。
通过在芯片上并行处理多个样品或反应，可以显著提高分析的通量，从而满足大规模样品分析的需求。
在微流控芯片的设计过程中，还需要考虑流体的控制、热量的传递、化学反应的动力学等因素。
通过精确控制流体的流动和混合，以及优化反应条件，可以实现高效、快速、准确的生物化学反应分析。
微流控芯片的设计原理涉及到微型化、集成化和高通量等多个方面。
通过不断优化设计理念和技术手段，微流控芯片有望在生物、化学、医学等领域发挥更大的作用，推动相关产业的快速发展。
微流控芯片PPT课件
在化学分析领域的应用
化学合成
药物分析
微流控芯片可用于小规模和高通量的化学 合成，提高合成效率和产物纯度。
用于药物的分离、纯化和分析，提高药物 分析的准确性和灵敏度。
环境监测
食品安全
用于检测水、土壤、空气等环境中的有害 物质和污染物。
用于检测食品中的农药残留、重金属等有 害物质。
在环境监测领域的应用
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食品安全
用于快速检测食品中的有害物质，提高食品安全监管效率。
微流控芯片面临的挑战与解决方案
制造工艺
目前微流控芯片制造工艺成本较高，需要进一步降低成本，提高 生产效率。
流体控制
微流控芯片中的流体控制精度和稳定性有待提高，需要加强相关技 术研发。
交叉污染
不同样本间的交叉污染问题需引起重视，应加强清洗和隔离技术的 研究。
柔性电子技术的不断发展，将推动微 流控芯片在可穿戴设备、生物医学等 领域的应用。
智能化
通过与人工智能、机器学习等技术结 合，微流控芯片将具备更强的数据处 理和决策能力。
微流控芯片在未来的应用前景
生物医学研究
用于疾病诊断、药物筛选和个性化医疗等领域。
环境监测
用于实时监测空气、水质等环境参数，保障公共卫生安全。
04 微流控芯片的应用实例
在生物医学领域的应用
疾病诊断
微流控芯片可用于快速检测和诊断各 种疾病，如癌症、传染病等。
药物筛选
通过微流控芯片技术，可以快速筛选 和测试新药的有效性和安全性。
细胞培养和分化
微流控芯片可以模拟细胞生长和分化 的微环境，用于研究细胞生物学和再 生医学。
基因检测
利用微流控芯片进行基因突变、基因 表达等检测，有助于疾病的预防、诊 断和治疗。
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基金资助:国家自然科学基金重大项目(20299030,60341005)收稿日期:2005-06-22 收修改稿日期:2006-01-15微流控光纤芯片的研究苏 波,崔大付,耿照新,陈 兴(中科院电子所传感技术国家重点实验室,北京 100080)摘要:微流控光纤芯片是一种把光纤植入到芯片中以方便检测的新型生物分析芯片,它利用光纤传输激发光,使激发光斑的直径大大减小,省去了光学会聚装置,缩小了检测系统的体积,提高了检测灵敏度。
另外,它具有试剂消耗少、处理速度快、制作成本低、制作方法简单等优点,成为微全分析系统(L -TAS)研究的热点。
结合目前带光纤微流控芯片的发展状况,综述了两种类型芯片的制作方法及其所需材料,介绍了每种芯片的检测原理、结构及分类,分析了每种芯片的优点与不足,并探讨了其发展趋势。
关键词:光纤;微流控芯片;聚二甲基硅氧烷;光纤植入中图分类号:TP212.2 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2006)05-08-03Research of Microflu idic Fiber ChipSU Bo,CUI Da -fu,GENG Zhao -xin,CHEN Xi ng(State Key Laboratory of Transducer Technology,Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100080,China)Abstract:The microfluidic fiber chip,embedding the fibers in the chips for the convenience of detection,is a kind of new -style b-i ology analysis chip.The fiber is used to transmit exci tation light,so the diameter of the ligh t spot is decreased greatly,the optics conver -gence device is spared,the bulk of the detection system is reduced,and the detection sensiti vity is i mproved.In addition,due to less reagent used,high process speed,low cost and simple fabrication process,it becomes the hotsp ots in the research of miniaturized total analysis system.According to its developing status at present,the fabrication processes of two kinds of chip s are introduced.The detec -tion principles,structures,materials and specifications of each biochip are described.The merits and demerits of each chip are analyzed.A thorough overview of the develop ments in this field to date is provided.Key words:fiber;microfluidic chip;poly(dimethylsiloxane)PDMS;embedded fibers 0 引言自从90年代瑞士的Manz 和Widmer [1]首先提出/微全分析系统0(Micro Total Analysi s Systems,即L TAS)以来,/微流控芯片系统0或者称/建立在芯片上的实验室(Lab-on-a-chip)0就以迅猛的势头向前发展。
在微流控芯片中,微流控光纤芯片由于具有体积小、检测灵敏度高、制作成本低、制作方法简单等特点,逐渐引起人们的注意。
这种芯片是把光纤植入到芯片中,并与微流控沟道垂直对准,用来激发微流控沟道中用荧光物质标记的DNA 或者氨基酸以产生荧光信号。
这种微流控芯片的好处是:用光纤作为传光介质,光纤所产生的激发光斑与微流控沟道尺寸大致相当,提高了检测灵敏度,同时也省去了体积庞大、价格昂贵的荧光显微镜。
制作这种芯片所用的光纤有多模光纤和单模光纤两种,多模光纤的纤芯直径大多为62.5L m,单模光纤的纤芯直径为9L m.目前,大多数微流控光纤芯片所用的光纤是多模光纤。
用来制作这种芯片的材料主要有两种,一种是用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)制作微流控沟道[2],然后用玻璃或者PDMS 对其进行封装;另一种则是用玻璃或者硅制作。
其中用PDMS 材料制作微流控沟道较多,PDMS 具有以下特性:良好的绝缘性,能承受高电压,已广泛应用于各种毛细管电泳微芯片的制作[3];热稳定性高,适合加工各种生化反应芯片[4];具有优良的光学特性,可应用于多种光学检测系统[5]。
此外,与传统的硅、玻璃等材料相比,PDMS 还具有以下优点:原材料价格便宜、芯片加工成本低、制作周期短、可重复使用、封装方法灵活,它可以和硅、氮化硅、氧化硅、玻璃等许多材料形成很好的密封[6]。
微流控光纤芯片从结构上,大致可分为与微流控沟道垂直对准的单边植入光纤和双边植入光纤。
双边植入光纤芯片在制作时,把两根光纤纤芯准确对准并且与沟道垂直比较困难,但它在检测时只需把通过光纤传送的荧光信号经滤光片滤光后与光电倍增管相接即可;单边植入光纤芯片的制作过程比较简单,但检测步骤比较繁琐,需要把芯片放在暗盒中并与光电倍增管或者光电二极管紧靠在一起,这样会给操作带来一定的不便。
现在也有人在芯片沟道的两边用折射率不同的材料制作波导,在波导的端面用光纤与之连接,从而减小了光纤与微流控沟道对准的困难。
1 双边植入光纤1.1 在微流控沟道的两侧制作光纤沟道这种方法是在PDMS 或者玻璃等基底材料上同时制作微流控沟道和光纤沟道,微流控沟道与光纤沟道垂直并且之间有适当的距离以保证沟道的密封性。
日本的Serge Camou [7]等人制作微流控芯片的方法是:先在玻璃基板上制作好微流控沟道和光纤沟道的模具,然后在模具上浇注PDMS,当PDMS 固化后2006年 第5期仪表技术与传感器Instrument Techniq ue and Sensor 2006 No 15去掉模具,这时在固化的PDMS 上就留下微流控沟道和光纤沟道,把去掉外包层且端面经过处理的两根光纤埋入光纤沟道中,最后把它与另一块玻璃粘合。
芯片的三维图如图1。
这种方法在制作过程中存在的问题是:(1)微流控沟道的深度一般在20~50L m 左右,但目前大部分光纤的直径(去掉外边保护层后的直径)为125L m,纤芯的直径(多模光纤)为62.5L m,采用这种方法制作的芯片,微流控沟道的中心与光纤的中心不在同一个平面上,当激发光通过光纤去激发微流控沟道中的荧光物质时,仅有一部分光照射到微流控沟道上,当被检测物质的浓度较低或者光电倍增管的电压恒定时,检测灵敏度会降低。
(2)微流控沟道的侧壁材料不同,3个侧壁为PDMS 材料,另一个侧壁为玻璃材料,由于PDMS 和玻璃是两种表面电荷密度完全不同的材料,所以在进行电泳分离实验时容易造成分离普带的展宽。
(3)微流控沟道的深度和光纤的直径不匹配,容易引起漏液。
图1沟道的三维图图2 被刻蚀的光纤台湾的Lung -M ing Fu 用玻璃作为基底材料,在上面制作微流控沟道和光纤沟道,他采用两种方法来实现光纤中心与沟道中心的对准。
一是把光纤的外涂敷层去掉再把包层用NaOH 刻蚀掉一部分,使光纤直径减小;二是把两个抛光的玻璃上都刻蚀出光纤沟道,具有微流控沟道的玻璃上,光纤沟道较深,另一块玻璃上的光纤沟道则较浅,然后把光纤准确放入到两块玻璃上的光纤沟道中用UV 胶进行粘合,这样就能保证光纤与微流控沟道垂直对准,并且中心在同一个平面上,如图2所示[8]。
用这种方法制作微流控芯片是不可逆封装的,实验完成后冲洗比较繁琐;光纤在刻蚀后直径变小,容易折断。
1.2 在微流控沟道的一侧植入光纤一侧制作波导美国的Lee G B 在玻璃上刻蚀出微流控沟道、光纤沟道和波导沟道,微流控沟道与波导沟道和光纤沟道相互垂直。
光纤沟道的制作以及光纤的刻蚀与文献[8]的制作方法类似。
在波导沟道中用两种折射率不同的材料制作波导,内层是折射率为1.8的SU-8,外层是折射率为1.36的SOG(Spin-On-Glass)。
波导的另一端与检测器相接。
由于制作了光纤沟道,刻蚀后的光纤很容易插入到光纤沟道中,然后用UV 胶进行粘合来固定光纤。
检测原理俯视图如图3所示[9]。
这种制作方法能够实现微流控沟道与波导的对准,但是用两种材料制作波导会使制作工艺变得复杂。
另外,芯片上的波导与检测器直接相接,可能把外界杂散光引入检测器,会使本底噪声增加。
图3 检测原理2 单边植入光纤单边植入光纤芯片的制作也具有双边植入光纤的几种方法,单边植入的关键之处是检测装置及激发光源的不同。
2.1 用微型雪崩光电二极管收集荧光信号美国哈佛大学的Chabinyc Michael L.等人用在模具上浇注PDMS 的办法把光纤单边植入到PDMS 中,固化去掉模具后,再和另一块表面平整的PDMS 进行粘合,微流控沟道就密封在两块PDMS 中间。
它的关键之处是:在微流控沟道下端的PDMS 中埋入了微型雪崩光电二极管,用来检测荧光信号。
这种制作方法的好处是省去了光电倍增管,从而减小了仪器的体积,但是把微型雪崩光电二极(L APD)管准确地埋入微流控沟道下端比较困难,另外微型雪崩光电二极管电极的制备也需要一定的工艺条件。
若工艺条件许可,这必然是一个发展趋势。
其检测原理如图4所示[10]。
图4 检查原理2.2 用有机发光二极管作为激发光源日本Camou S 等人在玻璃基片上用PDMS 制作微流控沟道,并在微流控沟道的附近集成了有机发光二极管(OLE D),然后再在芯片上单边植入光纤用来接收有机发光二极管激发的荧光信号,光纤的另一端经滤光片后与光电倍增管相连。
有机发光二极管的发光颜色与材料有关,它的发光强度高,整个部件的厚度不超过200n m [11]。
由于有机发光二极管的体积比较小,所以在埋入有机发光二极管时就比较困难,另外也存在有机发光二极管电极制备所需要的工艺条件,制作过程比较复杂。