微流控芯片技術研究概況及其應用進展

余明芬， 曾洪梅， 張 樺， 邱德文＊

（1．新疆農業大學農學院，烏魯木齊 830052；2．中國農業科學院植物保護研究所，植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100193）

微流控芯片（micr ofl uidics）又稱微流控芯片實驗室或芯片實驗室（lab－on－a－chip，LOC），是指在一塊幾平方厘米的芯片上構建化學或生物實驗室［1］。20世紀80年代末，Terry等在硅芯片上構建了一個氣相層析裝置對空氣進行分析，首次出現了微全分析系統的應用［2］。20世紀90年代初，Manz等開展了芯片電泳的研究，以芯片毛細管電泳作為微流控技術的早期形式并最早提出微全分析系統的概念［3］。2004年美國Business 2．0雜志將芯片實驗室列為“改變未來的七種技術之一”，2006年7月Nat ure雜志發表了一期有關“芯片實驗室”的專輯，重點介紹了這一新技術［4］。當前微流控產品的市場年遞增速率為15．5%，預計2014年的市場價值將超過30億美元［5］。

微流控技術因其所需樣品體積小、檢測效率高、使用成本低且易于和其他技術設備集成，具有良好的兼容性、有望實現便攜式檢測裝置等特點［6］，吸引了眾多研究者的關注。微流控芯片制作涉及材料的選擇、加工、封接、表面處理、集成、檢測等關鍵步驟。目前微流控芯片主要應用于遺傳和單細胞分析、蛋白質研究、細胞遷移、藥物篩選、干細胞和神經細胞培養等［7－14］，這些應用大多集中在醫學，在農業、食品方面的應用起步較晚且處于萌芽期［15］。本文從微流控芯片相關概念和技術出發，對該技術在醫學、農業和食品方面的應用做一綜述，簡要分析微流控技術發展方向，并就其前景進行展望。

1 微流控芯片相關概念

與微流控技術相關的概念有微流控芯片、微陣列芯片、生物芯片、微全分析系統（micr o total analysis system，μ－TAS）等概念，這些概念包含的內容既有區別又有聯系。

微流控通常被定義為在幾微米至幾百微米的通道內對小體積（10－9～10－18L）的液體樣品進行處理或操作的一門系統科學和技術［16］。微流控也稱為微流控芯片（microfluidics）或芯片實驗室（lab－on－a－chip，LOC），是指在一塊幾平方厘米的芯片上構建化學或生物實驗室。它把化學和生物等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測、細胞培養、分選、裂解等操作單元集成到一塊芯片上，通過微通道形成網絡，用可控流體貫穿整個系統，以實現常規化學或生物實驗室的各種功能［1］。圖1為不同用途的微流控芯片。

圖1 不同用途的微流控芯片Fig．1 Microfluidics for different purposes

微陣列芯片是指一種將多個相同或基本相同的操作單元或單元群平行地集成在同一芯片上，其基本特征是高通量。如果操作單元或單元群之間有流體連通，這樣的微陣列芯片往往就是集成的微流控芯片，如果操作單元或單元群之間沒有流體連通，這樣的芯片就不是微流控意義上的微陣列。生物芯片一般是指將已知的生物信息（如DNA核酸序列）固定在載體上，47通過樣品中待分析物與基片上已知的生物信息進行特異性結合來進行檢測的技術。它是一種不含微通道，沒有液體流動，以生物分子間的靜態雜交和高密度點陣為特征的芯片，也可稱為雜交點陣芯片。雖然微流控芯片也能有靜態雜交反應單元，但靜態雜交反應并非微流控芯片所含操作單元的全部。微全分析系統（μ－TAS）是以樣品分析為最終目標的一類微流控芯片的統稱，該系統尺寸微小，可以將分析化學領域廣泛采用的樣品預處理、分離和檢測等各種操作單元進行有效集成，是微流控芯片的一個類別［4］。

從概念上可知，微流控芯片技術的本質特征是要有液體將各個單元連通，通過對液體的操作、處理來達到不同的目的。雖然各概念之間存在差異，但在實際的研究和應用當中，各概念所涉及的技術往往是相互交叉的，例如生物芯片可單獨使用也可作為微流控芯片的一種檢測技術。

2 微流控芯片制作方法

微流控芯片制作涉及芯片材料的選擇、加工、封接、表面處理以及與其他裝置的集成等多個環節，在此就其主要技術進行簡要介紹。

2．1 材料和制作方法

制作微流控芯片常用的材料是PDMS［21］，又稱硅橡膠，具有較好的延展性、化學熱穩定性及生物兼容性；對于生物和醫學來說，PDMS具有高保真性、良好的光學透明度、固化溫度低且無毒，因此細胞可以直接在上面進行培養；可用傳統表面改性方法（UV或氧等離子體）進行表面修飾［22］。另外一些常用材料有硅片（化學濕蝕刻）、玻璃（化學蝕刻）和熱塑性塑料（熱壓成型、注塑成型）［23］。

目前流行的加工方法有軟光刻和激光燒蝕技術。相對傳統光刻技術，軟光刻更加靈活；在曲面基板上也能制造復雜的三維結構，這對微流控芯片來說非常重要；所需設備簡單，無需特殊實驗室，并可應用于多種材料（如PDMS、玻璃、陶瓷等）；最重要的是在大規模生產中成本較傳統光刻法低［24］。另一種加工微流控芯片的方法是激光燒蝕，該方法利用UV或紅外CO2激光器來燒蝕聚合物［25］。該方法對掩膜依賴小，制作出的芯片受熱結構穩定，靈活性高，但該方法生產效率低，一次只能制作一個芯片且需要標準激光實驗室，成本較高。

隨著微通道尺寸的縮小，流體和固體表面的相互作用不容忽視。在微米或納米通道內，表面張力和黏滯力占主導地位，同時毛細管力對幾何界面特性也非常敏感。這些改變對微通道內液體的流動特征影響很大，通過表面改性可提高通道表面穩定性，減少目標物與通道表面的相互作用。表面改性方法有多種，依改性劑作用方式可分為靜態改性和動態改性［24，26］。

2．2 檢測方法

微流控芯片的檢測方法主要有毛細管電泳（CGE）、雜交檢測、免疫檢測和電化學檢測。

毛細管電泳是一個歷史悠久且常用的檢測方法，該方法已在芯片上進行了集中而廣泛的研究。標準的毛細管電泳微流控裝置可以被直接改造成PCR－CGE整合平臺，即芯片PCR之后擴增產物直接注入CGE分離通道內進行檢測［27］，以達到提高檢測靈敏度和分析速率、減少試劑污染的目的。

基于微流控芯片的DNA雜交檢測是基因組分析中應用廣泛的檢測技術。通常PCR之前要進行樣品制備過程，緊接著將待擴增的基因序列與寡核苷酸探針（基因陣列）雜交，使待擴增基因序列固定在載體上。傳統雜交方法相對較慢并且需要人工轉移液體，也需要較多的試劑和較大的樣品體積。將PCR片段與固定的DNA探針高度集中，通過提高雜交率可以解決上述不足［28］。在微流控芯片上將免疫測定與上游的PCR整合對人體體液中游離核酸檢測具有很大的潛力，特別是在醫學上對病原菌的快速檢測［29］。

電化學檢測由于其體積較小，與高壓電源一起可制成便攜式分析儀，加之有電化學響應的物質很多，所以在芯片中的應用前景廣闊。目前，在集成式PCR微流控芯片中，大多數有關PCR之后的檢測都是采用激光誘導熒光檢測，此外還有電化學、質譜、紫外、化學發光和傳感器等。光學系統因其難以小型化到一個微流控芯片平臺上，而且芯片上需要對光學和微流控裝置進行仔細的調整，同時所需的尺寸限制了某些應用。近年來，半導體激光器和光電放大器體積的縮小、短波長二極管激光器的出現、發光二極管的發光強度不斷增強等為熒光檢測器的微型化提供了有利條件［28，30］。

3 微流控芯片在醫學、農業、食品領域的應用

微流控芯片不僅是一門科學也是一門技術。理論上，微流控芯片技術可用于任何涉及流體的科學，其中最直接的應用是化學、生物學和醫學，目前其應用涉及疾病診斷、藥物篩選、法醫鑒定、食品安全、環境監測等人類生活的方方面面。

3．1 醫學

在醫學方面，通過利用微流控芯片在速率和準確率方面的優點，可大大降低醫學診斷和藥物篩選成本。目前，研究者已將其運用在癌癥的研究方面，以期為人類早日攻克癌癥提供技術支持。Ziober等開發了用于空腔鱗狀細胞癌（OSCC）篩查和診斷的芯片實驗室，而且運用類似的方法也可以對其他癌癥進行早期篩查［31］。Zió?kowska等制作了一種微流控芯片對腫瘤細胞進行長期的培養，并施以不同頻率、不同濃度的抗癌藥物后觀察細胞的變化，以此來評價抗癌藥物的活性。相對其他可行的分析方法來說，該方法不需要停止細胞培養就可以對腫瘤藥物響應進行長期監測并對響應濃度進行定量測定。在類似體內的微流控環境下，微系統對以細胞為基礎的研究來說是一個理想的方法［32］。

目前典型的研究工作是以現場即時檢測（pointof－care，POC）為代表的微流控芯片診斷。Chin等開發了一種POC裝置用于傳染病的早期檢測。該裝置可忠實地復制酶聯免疫吸附法的所有步驟，不僅可以用1μL未處理的全血進行HIV的診斷，也可以對HIV和梅毒進行同時診斷［33］。POC檢測除了具有小型、便攜、快捷、方便等優點外，其診斷范圍也廣泛，包括癌癥和許多地方病，因而適用于發達國家的家庭和發展中國家的偏遠貧困地區，有效推動全球健康水平的提高［19，34］。

3．2 農業

在農業生產中，造成農作物減產的一個重要原因就是各種病原菌導致的病害；在畜牧業，牲畜出現患病將導致嚴重的經濟和安全后果。因此，無論是種植業還是畜牧業，對相關病原體進行跟蹤，可以進行疾病的早期干預，有效預防病害發生。微流控芯片技術具有較低檢測閾值，可以在患病初期未顯癥之前進行診斷，為防治節省時間，也可作為疾病預測的新技術。

3．1．4 作物

微流控技術已用于農作物病原物檢測、作物與病原物互作研究、代謝組學及細胞工程研究等方面。

在作物病原物檢測方面，Wang等使用了一種微流控微陣列對植物中由真菌、細菌和病毒引起的病癥進行快速識別，該裝置可在室溫條件下僅用1 f mol的DNA樣品在10 min內獲得檢測結果，同時可成功區分僅有一個堿基對差異的約260 bp大小的PCR產物［35］。Peng等開發了一種形似CD的微流控芯片裝置用于快速識別玉米中的病原體［36］。Huang等報道了一種PCR－CGE微流控裝置，進行了DNA病毒和RNA病毒檢測［37］。作者實驗室也開展了相關研究，欲將微流控芯片技術用于煙草、水稻、番茄等作物的病毒檢測和預測預報方面，以提高作物管理水平。

在作物、病原物互作研究方面，Meng等在微流控裝置通道內的腔室內模擬植物的維管束組織，用受控的Xylell a f astidiosa細菌去侵染微流控小室，以此來研究該細菌在植物維管束組織中的侵染、移植過程［38］。在研究菌毛在該細菌侵染和移植作物維管束中的作用時，傳統的方法例如平板流動腔室、原子顯微鏡和激光鑷子在獲得測量數據方面具有一定難度。Fuente等設計和制作了一種微流控芯片小室來評估從玻璃板上分離細菌細胞所必需的作用力，以此辨別兩種菌毛的類型、了解菌毛和玻璃的黏附力。此外，微流控芯片小室很容易和顯微鏡進行整合，是與模擬植物的納米或微米結構相組裝的有效系統［39］。

在作物代謝組學研究方面，Fouad等利用微流控芯片毛細管電泳（CE）方法從擬南芥種子中對硫代葡萄糖苷進行了定量測定，采用熒光檢測方法進行檢測［40］。在植物根部的生長發育和生理學研究中，對受控環境條件下的細胞和亞細胞進行分析存在限制。Guido等人設計了一種微流控芯片平臺，將其命名為Root Chip（圖2），它將擬南芥根部活細胞生長和新陳代謝的成像技術與快速的環境調控技術進行集成［41］。該裝置可對來源于多種幼苗的多種根部微環境同時進行個性化調節，并可以對植物體亞細胞尺度下隨時間的生長情況和溶質內的含糖水平進行監測，監測結果通過葡萄糖和半乳糖的遺傳編碼的熒光傳感器進行測定。通過改變小室的幾何形狀，Root Chip也可以用于其他植物物種，并促進不同種子的根部生長和新陳代謝的系統分析，為根部的新陳代謝和信號傳導研究奠定基礎［41］。

在植物細胞工程研究方面，Zhang等利用微流控方法在室溫條件下通過控制粒子大小分布和內部結構，利用生物多聚物制作出了生物水凝膠微膠囊。該膠囊可用于封裝殺蟲劑或肥料并控制其釋放［42］。Ko等設計了一種微流控通道用于培養煙草的原生質體，進行植物細胞工程和細胞分析［43］。另外，微流控技術可用來進行作物缺陷識別，例如小麥作物的缺硫和害蟲識別［36］。

3．1．2 畜牧業

微流控芯片裝置因其小型化、集成性和自動化也已成為解決畜牧業問題的一種新方法。

早在2006年微流控技術就已經應用于動物生產系統中乳腺炎的檢測。Rodriguez等設計了一種楔形結構的微流控芯片滑動組件用于牛奶中的病原菌檢測和白細胞計數。將牛奶樣品與染料混合使白細胞染色，通過毛細作用使這些體細胞均勻分布在芯片上，通過熒光顯微鏡來識別染色的白細胞［44］。Lee等開發了一種生物芯片，該芯片可以對7種已知引起乳腺炎的病原菌的基因進行DNA擴增［45］。Di mov等也開發了一種類似的微流控裝置，該裝置結合了固相提取和基于核酸序列的擴增（NASBA），他們用該裝置識別了低數量的大腸桿菌。通過將微流控與生物芯片相整合，可以有效提高檢測率、靈敏度和特異性，并有望在一個平臺上實現多個目標，以實現對乳腺炎檢測和治療［46］。

圖2 Root Chip芯片［41］Fig．2 The Root Chip［41］

Bach man等設計了一種基于微流控的健康檢測裝置，該裝置以唾液為樣品來進行疾病檢測、孕檢、荷爾蒙檢測、牲畜中毒和膿毒性咽喉炎檢測和醫學診斷并及時準確地輸送藥物［47］。微流控技術也可以用于動物中的體外受精。Wheeler等先后開發了一種微流控系統，它通過控制通道內的液體和氣體的流速使精子和卵子相遇達到結合的目的［48－49］。該方法可以解決動物在受精方面的問題，提高受精率，可用于珍稀或瀕危動物的保護當中。

微流控芯片技術中將微電機械系統（MEMS）和生物系統相整合，形成生物微電機械系統（BIOMEMS），它包括封閉的通道、液源、儲液池和電極，該系統可將藥物輸送到動物體的特定部位［50］，也能進行DNA和細胞分析。智能疾病治療傳遞系統將藥物分子包裝然后運送到動物體的特定部位［51－52］，這將有助于降低畜牧業的用藥成本并有效管理牲畜的健康。

3．3 食品

當前，食品安全和食品加工不僅關系到人們的日常生活，更關系到社會的穩定與發展。面臨種類繁多的安全問題，做到快速識別與檢測，促進食品安全與加工對相關技術提出了更高的要求。微流控芯片正好滿足了這一技術需求。

在食品安全方面，對食源性病原菌進行檢測通常需要先在瓊脂糖平板上培養細菌，需耗費大量時間。微流控芯片可以經濟、有效、實時地對食物和水中的殘留物、痕量化學物質、抗生素、病原體和毒素進行檢測，可在數分鐘內對食物中的相關指標進行定量檢測，其檢測范圍涵蓋田間到餐桌的全過程，包括對食品運輸、加工、零售和售后等環節進行全面的定量分析。Varshney等開發了一種微流控芯片流動池來檢測牛肉樣品中的病原菌，該裝置上面嵌入了帶有磁納米粒子抗體結合物的黃金叉指陣列（IDA M）微電極。該裝置可在35 min之內在牛肉樣品上檢測到低至1．2×103個大腸桿菌O157：H7細胞［53］。目前檢測肉毒桿菌神經毒素（Bo NT）的方法是通過老鼠進行生物測定，這種方法靈敏度高，但耗時、昂貴、低通量，并需要大量動物。Frisk等開發了一個高靈敏度的微流控平臺，具有在溶液中重復、實時、可靠地進行肉毒毒素檢測，其最新一代可在緩沖液中檢測到最低3 pg／mL濃度的毒素［54－55］。Li等使用帶熒光的RT－PCR微流控芯片對兩種食源性致病菌進行了同時檢測，其樣品可在1 h之內被成功轉錄并擴增，其RNA濃度的檢測限為6．4×104拷貝／μL［56］，可作為食品中 RNA病毒快速檢測的一個理想平臺。

在食品加工產業，微流控芯片技術可以通過影響食物的微結構來產生新的產品和加工工藝，使終產品具有新的流變性和功能性。乳劑和泡沫是許多食品中常見的分散體［57］，如水包油型（如沙拉醬、蛋黃醬）和油包水型（如奶油、人造奶油）。在工業生產中大部分乳劑和泡沫是通過物理手段（混合器或均化器）將能量引入兩相中，使兩相進行混合。通過這些手段，每單位體積引入的能量非常有限［58］。微流控芯片可以有效解決液體－液體、液體－固體之間的混合問題，并在液滴中進行化學物質分配，控制泡沫和乳狀液的大小和分布［59－61］。Okushi ma等使用兩個T型通道制備出水－油－水雙層乳狀液。在上游的第一個通道的內表面是疏水的，水通過時在第一個T型處水被油包入內部形成第一層；下游的管道是親水的，有機相液滴流入后被水包被形成第二層［62］。通過改變裝置中液體的流速和通道內的親水特性，可以形成大小不同的液滴；通過增加通道數量，可以制備出不同層數的液滴［63］。

圖3 微流控設備上液滴形成的通道網絡［62］Fig．3 Dr oplet for mation in microchannel net wor ks of a micr ofluidic device［62］

4 結論與展望

當前，從田間種植到市場銷售直至餐桌，以農田管理為源頭，在各個環節提供安全農產品，避免有害微生物、毒素、有害化學物質的污染仍然面臨巨大挑戰。就分析技術而言，當前的分析技術存在體積大、通量低、耗時長等不足，如果在農業生產到餐桌的諸多環節中進行大量檢測將耗費巨大人力、物力、財力。微流控芯片技術已被證明是一種重要的可用技術，具有重要的科研和經濟價值。醫學上可以進行疾病診斷、藥物篩選，加快醫學研究的步伐；農業上，可以對農作物進行病害、營養缺陷進行監測和檢測，在病害未顯癥之前可以進行病害篩查，提前預防，減少病害發生和擴散，降低損失；畜牧上可以進行藥物輸送，提高治療效果，降低生產成本；面對食品中多樣復雜的污染源，微流控技術可以充分發揮其快速、準確的優勢，為食品安全提供技術支持。

現代科學技術發展的特征之一就是微型化和集成化。微流控芯片技術一開始就是以交叉學科的身份出現，因此決定了它可以與多種技術進行集成，發揮不同技術的優勢以應對越來越多、越來越復雜的應用需求。有研究者構想將微流控芯片技術與納米技術結合，發揮兩者各自的特長，使其在農業、環境、食品、醫學、航天等方面發揮更為重要的作用。

目前微流控芯片多處于研究階段，其產品較少。同時在實際生產生活中對微流控芯片的使用率較低、缺乏統一標準等阻礙了微流控芯片市場的發展。將微流控芯片技術滲透到農業和食品行業需要工業制造方面的技術，解決在統一標準方面的漏洞；需要提高現有微流控的技術要求，改變其復雜性和價格昂貴性，使之成為一種功能性系統。雖然微流控技術在農業、食品領域的應用研究起步較晚，但其為提高農業和食品安全提供了新的途徑，我們有理由相信它將大有可為。

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