微流控技术与芯片实验室

　第26卷第3期2011年6月 大学化学

UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.26No.3

Jun.2011　

微流控技术与芯片实验室

赵亮　黄岩谊*

(北京大学工学院北京大学生物动态光学成像中心　北京100871)

摘要　作为芯片实验室的典型代表性技术,微流控技术发展迅速,目前已经成为一门涵盖了从分离分析㊁分子生物学研究到生物医学诊断的交叉学科㊂本文主要归纳了微流控芯片技术的基本概念㊁发展概况㊁构建方法,以及在生物学应用领域的最新研究进展,特别介绍了在单细胞研究领域以及面向最终应用的生物医学诊断方面的典型技术㊂

关键词　微流控　芯片实验室　高通量　微全分析

芯片实验室是lab⁃on⁃a⁃chip的直译,它并不是一个精确定义的科学概念,而是一个新兴的领域㊂原则上,所有生物与化学实验室功能的微型化手段均可以用芯片实验室技术来指代㊂芯片实验室概念中的代表性技术就是针对小尺度液体操控的微流控技术(microfluidics)㊂除此之外,芯片实验室技术也包括了非流动的静态微型实验系统,例如传统定义中的生物芯片㊂这类芯片系统通常是微阵列芯片(micro⁃arrays),如基因芯片㊁蛋白质芯片等㊂它们的特点是流体的流量通常未被控制,可以认为是微流控芯片的特殊类型㊂这类芯片一般通过检测点阵上的不同反应(如杂交或者蛋白相互作用等)来进行分析,功能较为有限㊂相对而言,可以控制流体精确运动的微流控芯片则具有更广泛的类型㊁功能与用途㊂这一技术受到许多从事物理科学(物理学㊁化学㊁力学等)㊁生命科学以及工程科学的研究者的广泛关注,被应用到这些领域的实验研究中㊂本文主要介绍微流控芯片技术及其基本发展过程,着重介绍微流控芯片技术的最新研究进展及其在化学和生命科学领域的应用㊂

在化学和生物学研究中,绝大部分实验都是在溶液状态下进行的㊂由于研究人员对化学和生物学实验的液体体积要求越来越小,通量要求越来越高,对实验自动化与可操控性的要求也越来越迫切,传统的承载和转移操作液体的器材和工具(如烧杯㊁试管㊁培养皿等)已经不再满足科学工作者的需求㊂新型技术手段必须具备可操作更小体积的液体㊁更小型化的尺寸㊁更高的实验通量㊁更加自动化控制的特点㊂微流控芯片就是一种在这样的需求中应运而生的技术,用以进行微量甚至是极微量液体的操控与分析㊂

从微流控芯片的发展历史上看,这一技术的孕育和发展具有一定的必然性㊂科研市场和医疗的需求,加上在微电子领域的相关加工技术日渐成熟,催生了微流控芯片技术并加速了它的发展[1]㊂在医疗健康㊁检验检疫㊁环境监测㊁劳动保护㊁司法鉴定等领域,对分子分析的需求越来越多,要求也越来越高㊂对分离分析技术如色谱和毛细管电泳手段的微型化,成为市场的实际需求㊂这一需求的背后,是庞大的医疗诊断消费群体以及国家安全的需要㊂随着分子生物学的研究日渐深入,更大通量和更低消耗的实验技术成为必需㊂微流控芯片技术正好代表了这种趋势,符合现代分子生物学㊁基因组学㊁蛋白质组学等学科的发展步伐㊂20世纪后半叶迅速发展的微电子工业积累了大量的微加工经验,这些经验不仅使得许多微流控芯片加工所必需的理论和技术得以成熟,而且成型了许多相关设备和仪器,发明了许多相应的新材料;同时,由于产业的推动和市场的不断扩大,加工成本也大大降低㊂

1975年,斯坦福大学的Terry等人[2]利用微加工手段,在一片硅晶片上蚀刻出了微细的管道,用作气相色谱的色谱柱,进行微量气体分离分析的研究㊂这个器件可能是第一个现代意义上的微流控装置㊂*通讯联系人,E⁃mail:yanyi@

2大学化学第26卷　

但是由于技术等因素的制约,这种芯片并未引起足够广泛的重视㊂随后,微流控技术的发展进入了相对迟滞的时期㊂1990年,Manz等人提出微全分析系统(micro total analysis system,μTAS)的概念[3],微流控芯片进入快速发展时期㊂Manz和Harrison等进行了深入合作,开展了一系列早期芯片毛细管电泳的开拓性研究工作[4]㊂这一时期,绝大多数芯片都是在硅和玻璃基底上制备的,直接借鉴微电子领域成熟的硅基微加工技术㊂1998年,G.M.Whitesides提出了软蚀刻(soft lithography)技术的概念,从此宣告微流控芯片进入了以弹性材料聚二甲基硅氧烷(poly(dimethlysiloxane),PDMS)为关键材料的时代[5],微流控芯片技术又进入了新一阶段的快速发展时期㊂2000年,S.R.Quake等在加州理工学院提出了一种基于PDMS材料的多层软蚀刻技术(multilayer soft lithography)制作新型的气动微阀和微泵的概念[6]㊂2002年10月,Quake研究组正式应用气动微阀技术以 大规模集成微流控芯片”为题在美国‘科学“杂志上发表文章,介绍集成了上千个微阀和反应器的微流控芯片[7],标志着芯片从简单的电泳分离到大规模集成化的技术飞跃㊂如今微流控芯片已经成为涵盖了从分离分析㊁化学合成㊁医学诊断学㊁细胞生物学㊁神经生物学㊁系统生物学㊁结构生物学㊁微生物学等一系列应用研究领域的综合性交叉学科㊂

1　微流控芯片的加工与制备

微流控芯片技术从概念提出到诞生和发展,都离不开微加工技术㊂微加工技术的发展与微流控芯片的发展息息相关㊂另一方面,由于新材料应用和发展,微加工本身的内涵也得到了丰富㊂从早期微流控领域文献可以看到,大部分探索是直接采用电子学上的基片材料如硅片㊁玻璃等作为基本的芯片制作材料㊂如今这些材料大多已经被更为经济廉价的高分子塑胶材料代替㊂这种变化的主要原因在于许多时候硅片并不合适用作制作分离分析和液体操作的微流控芯片材料,因为它不透明且刚性较大,难以与成熟的光学检测平台集成在一起;而玻璃的光学性能虽然较好,但要加工制作复杂的多层结构比较困难,步骤相对繁琐,而且要想制作对液体操控所必需的微泵和微阀是非常困难的㊂

1998年,哈佛大学的Whitesides课题组发明了利用弹性高分子材料PDMS的快速复制成型的微加工方法,用于微流控芯片制备,该方法被称为软蚀刻技术(soft lithography)[5]㊂相对于玻璃材料和硅材料,这种技术加工制作方便,无须特别苛刻的微加工条件和实验条件,一次制成的模板可以多次重复使用,极大地缩短了芯片制作所需的时间,加快了研究的速度,降低了芯片制作的难度和成本㊂这些优点促使微流控芯片的研究进入了一个快速发展的时期㊂

软蚀刻技术的主要过程如图1A所示㊂首先,微流控芯片图形利用计算机图形软件设计,设计好的图形通过高分辨率打印而得到掩膜,再将该光刻掩模通过光刻的方法将图形转移到涂有光胶的基底上㊂以SU⁃8负性光胶为例,曝光的部分发生聚合反应而得以保留,未曝光的部分被显影液溶解洗去,留下的图形就作为芯片复制的阳模㊂然后,将PDMS预聚体倾倒在阳模上,进行烘烤使得PDMS预聚体交联固化形成浇铸的图形,从图形的四周切下PDMS芯片并从阳模上剥离起来,此时芯片管道已经在PDMS上形成凹槽㊂最后,在适当的地方打孔形成溶液的进出口,将带有图形的PDMS基片与另一片平面结合,进行可逆或者不可逆的封接,完成芯片的制作㊂

软蚀刻技术诞生后,人们开始可以利用PDMS弹性材料大量制作微流控芯片,同时也开始寻找各种可能的方法,以便能够在芯片上集成微阀和微泵等能够操控液体的控制元件㊂2000年,加州理工学院的Quake等人发明了多层软蚀刻技术,使得大规模集成微阀和微泵成为可能[6]㊂该技术巧妙地利用了PDMS材料的弹性,在芯片中可以方便地制作能够快速开关的气动微阀㊂2002年,他们又在美国‘科学“杂志上报道集成了上千个微阀和上百个微反应腔室的微流控芯片,真正实现了芯片从简单控制到高密度大规模集成的飞跃㊂多层软蚀刻技术制作微阀微泵的过程如图1B所示㊂基于软蚀刻PDMS芯片复制技术,将两次制作的PDMS芯片管道上下交叠,中间以极薄的PDMS薄膜隔开分别作为流体层和控制层,当向控制层的管道施加气压的时候,PDMS薄膜会受挤压形变从而关闭流体层的管道,这样就形成了芯片中的主动微阀㊂这种主动阀的响应时间为毫秒量级,可以快速地在开与关两种状态之间切