微流体控制系统

微流体控制系统

一、与课题有关的国内外技术现状及发展趋势以及该领域的国内

外专利申请和授权的情况

(一) 国际现状

自20世纪90年代以来，生物芯片技术以其巨大的应用和市场前景一直成为人们研究的热点。美国政府和产业界在过去的10年共投入近20亿美元用于以基因芯片为主的生物芯片研究开发与产业化，欧洲与日本的投入强度也越来越大。摩托罗拉、惠普、IBM以及日立公司都在开发基因芯片技术，几乎所有的跨国制药公司都投入巨资利用基因芯片开展新药的超高通量筛选和对药理遗传学、药理基因组学等进行研究。大量资金的注入使得生物芯片技术的发展速度大大加快，DNA微阵列技术已经越来越成熟，并逐渐在各应用领域显示出优势，同时蛋白质芯片、细胞芯片等微阵列技术的研究也方兴未艾。

但无论是DNA微阵列还是蛋白质、细胞芯片，它们都只是完成了生化分析中的一步——将获得的生物样品与固定在芯片上的分子或细胞进行作用，而长久以来人们一直渴望能够将样品制备、生化反应及最后的结果检测集成到一套系统中，从而从实验中枯燥乏味的劳动中解脱出来。这就是通常说的芯片实验室(Lab-on-a-chip)或者微型全分析系统（Micro Total Analytical System，

μTAS）。芯片实验室是基因芯片技术和蛋白质芯片技术进一步完善和向整个生化分析系统领域拓展的结果，是生物芯片技术的发展的最高阶段。它以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为目前主要应用对象，其目标是把整个实验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使用，因此较微阵列有更广泛的适用性及应用前景。人们预计生物芯片微型全分析系统技术将会在犯罪现场的取证、太空探索、农产品质量检测及环境检测等方面得到广泛的应用。

而微流体控制则是生物芯片微型全分析系统中的关键环节，涉及范围很广，包括如何将样品或缓冲溶液引入芯片、试剂混合、如何控制样品在芯片中的流向和流速、以及最终如何将反应完的产物导出等。微泵和微阀是微流体控制中的基

本单元，其发展得益于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术的进步。目前，微流量控制系统的研究已经取得了一定的进展，许多基于芯片的微型器件如微泵和微阀已被设计和加工出来。它们采用的原理也多种多样，如电渗泵、流体电动力泵、SMA（Shape-Memory-Alloy）薄膜驱动泵、毛细管热泵、磁作用力阀、温控阀、电化学反应式主动阀等等。近年来，在利用这些微结构和器件对样品制备、生化反应及结果检测的集成方面已经取得了部分进展。阿尔伯特大学的一个研究小组制作了一块7.6cm×7.6cm的Borofloat玻璃芯片，他们在芯片上加工制作了电渗泵、混和器/反应器以及电泳微通道（Chiem and Harrison，1998），并用此集成器件进行了免疫竞争分析实验。另一个研究小组利用微机电工艺加工了通用型微流体系统供电化学免疫分析之用（Ahn et al.， 1998）。该系统由两个交叉的微流体通道组成，一个用于取样，另一个用于检测。系统中包括了磁珠、磁阀、磁泵和流体传感器，以对靶生物分子进行操作。日本的一个研究小组（Koji Ikuta et al.，2000）则利用微细立体光刻技术制作出复杂的三维收集芯片、泵芯片、单向阀芯片、反应芯片等，并将其任意组合起来，构成生物化学芯片系列。

(二) 国内现状

近年来，生物芯片技术的飞速发展也引起了我国政府和科学家们的关注。1997年科技部组织召开了主题为生物芯片的第80次香山科学会议，会上对生物芯片的现状和未来进行了探讨，并对生物芯片技术的重要性达成了共识，认为我国有条件和能力从事这一高新技术的研究和开发。

目前我国已成立了两个生物芯片研究中心：北京国家生物芯片工程中心和上海南方生物芯片研究中心。在生物芯片的加工、工艺技术和相关设备方面奠定了一定的基础。一些大学、研究所和公司也开展了生物芯片的研究和开发，并做出了一些创新的研究工作，一些成果已申请国家和国际专利。

但整体来看，目前我国的生物芯片研究多集中在用于疾病检测和基因表达等方面的微阵列技术和以毛细管电泳为代表的微通道检测技术上，而对于微型全分析系统尤其是其中关键的微流量控制系统的研究则不是很多。在某些学科领域，虽然也已经出现了用不同加工方法制作和不同工作原理的微型流体泵，如上海交通大学研制的Φ2mm微马达驱动旋转式微泵、清华大学研制的微型热致动泵以及带有传感器（测量流量）和信号处理电路的集成微型泵系统芯片等，但与生物芯片微型全分析系统中的微通道、微反应室等的结合和集成、微液定量、分配及混

和等目标还远没有实现。

(三) 发展趋势

经过近十年的发展，生物芯片技术在微阵列由低密度（或中密度）向高密度发展并日趋成熟的同时，已开始向以自动化、微型化、多样化、便携式为特点的微型全分析系统方向发展，当前无论在基础研究还是产品开发方面国际上的竞争都将日趋白热化。而将微流量传感器和微流量泵等微流量控制器件与相关的信号处理和控制电路相结合的微型化、集成化的微流量控制系统可望于不久的将来在微型全分析系统中的构建中起到关键作用，并在微量化学分析与检测、生物工程以及医疗保健等领域实现实用化。其中既可以作为微量化学分析系统的流量输运子系统，又可以作为微量药物定量释放系统的微恒定流量计量系统，已经成为微流量控制系统的研究热点之一。目前已研制出这类系统主要有由热气驱动微流量泵和热线式微流量传感器集成的单片式结构，以及有压电驱动微流量泵和压力差微流量传感器集成的混合型多片式结构，它们的制作工艺复杂，或封装困难。如果能够将微流量泵驱动结构与微流量传感器集成制作，实现一体化结构，就可以降低制作工艺的复杂度，将为执行器、传感器与控制电路的进一步集成及其实用化奠定基础。

二、课题研究目标和主要内容

(一)、总体目标

研制出将微泵、传感器、信号处理电路及流路控制集成在一起的微流体控制芯片系统。

(二)、主要研究内容：

1、微型泵结构的研制

将现有的各种类型微泵的工作原理、加工工艺及性能进行比较，选择研制一种易加工、性能好和便于集成的泵结构；

2、集成微泵系统芯片的研制

研制将微泵、微传感器与信号放大电路集成的集成芯片，实现微流体流量的精确测量；