1.什么是微流控層流技術(shù)？

基于微型通道自身的層流特點而發(fā)展起來的多相層流技術(shù) , 從最初的液-液微萃取開始 ,由于其結(jié)構(gòu)加工簡單、操作方便和分析功能強大 ,已逐漸發(fā)展成為一種加工分析方法 ,為微流控分析的研究應(yīng)用打開了一個嶄新的局面。

自從微全分析系統(tǒng)的概念提出以來 , 由于微流控芯片分析本身具有試樣消耗少、分析時間短、效率高、尺寸小、集成度高和便攜等優(yōu)點 ,在短短的 10 余年中就已經(jīng)發(fā)展成為當前世界上最前沿的科技領(lǐng)域之一。

其中微流控芯片是1990年代初中期在分析化學領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新型的分析科學。該門學科以分析化學為理論基礎(chǔ) , 結(jié)合微機電 (micro electrical mechanical systems , MEMS) 加工技術(shù)方法 , 主要以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征 , 被廣泛應(yīng)用于分離 分析、生物科學和生命醫(yī)學研究等眾多領(lǐng)域 , 是當前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點。基于微通道的特點而發(fā)展起來的多相層流技術(shù)分析方法 , 由于其結(jié)構(gòu)加工簡單、操作方便易行、分析功能強大和應(yīng) 用前景廣泛等優(yōu)勢而得到人們的普遍關(guān)注。目前 , 已經(jīng)有大量文獻報道采用層流技術(shù)實現(xiàn)了微流控芯片通道的加工制作 , 如液-液萃取、過濾和無膜擴散、聚合物薄膜的制備、納米材料的制備、細胞的研究和有機反應(yīng)的控制檢測等。不可否認 , 多相層流分離微流控系統(tǒng)為微全分析系統(tǒng)的研究應(yīng)用打開了一個嶄新的局面 , 在微芯片上實現(xiàn)樣品采集和預(yù)處理、試劑分離提純、在線檢測和數(shù)據(jù)采集一體化起到了重要作用。隨著其自身理論的不斷完善和發(fā)展微流控層流技術(shù)必將在未來的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

2.微流控層流技術(shù)原理

雷諾實驗表明 , 流體的流動狀況不僅與流體的流速 u 有關(guān) , 而且與流體的密度ρ、粘度 μ和流體通道的幾何尺寸(如圓形管道的管徑 d) 有關(guān)。由此得到 Re = duρΠμ, 其中 Re 即為雷諾數(shù) ,用以判斷流體的流動型態(tài) :該式表明雷諾數(shù)與管徑、流體流速、 流體密度成正比 , 與流體的粘度成反比 , 其實質(zhì)反映了流體流動中慣性力與粘滯力的對比關(guān)系。流體的流動型態(tài)根據(jù)雷諾數(shù) Re 的大小可以分為層流和 湍流兩種型態(tài)。當流體流速較小時 , 流體質(zhì)點只能 沿流動方向做一維運動 , 與其周圍的流體間無宏觀 的混合 , 即分層流動 , 而且流體的流速穩(wěn)定 ,這種 流動型態(tài)即為層流 ;當流體流速增大到某個值后 , 流體質(zhì)點除流動方向上的運動之外 , 還向其它方向 做隨機運動 , 即存在流體質(zhì)點的不規(guī)則脈動 , 彼此混合即為湍流。當慣性力占主導(dǎo)地位時 , Re 較大 , 湍流程度較大 ;當粘滯力占主導(dǎo)地位時 , 則 Re 較小 , 將抑制流體的湍動 , 以層流為主。一般劃分 標準為 : 當 Re < 2000時 , 流體流型為層流 ; 當 2000 < Re < 4000時 , 流體流型受外界條件的影響 , 有時為層流 , 有時為湍流 ; 當 Re > 4000時 , 流體流型為湍流。

典型的微流控通道結(jié)構(gòu)需要樣品和試劑量在 100 nl 和 10μl 之間 , 甚至更少 ,微流控通道的直徑 范圍在幾十到幾百微米。根據(jù) Re = duρΠμ可知 , 在 微流控通道中流體的流速越低 , 試劑的粘度越大 , 則流體的 Re 越小?；谖⑿酒贤ǖ赖某叽缣攸c 可以了解到流體在通道內(nèi)均呈現(xiàn)層流特性。因此 , 當兩種或更多不同試劑流同時流入同一通道 中 , 各試劑流能夠同時保持自身的流型不變而只在相與相的接觸界面上發(fā)生反應(yīng)或分子擴散現(xiàn)象 ,并且具有較高的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。大量的文獻報道了 根據(jù)微型通道內(nèi)的層流特點的應(yīng)用研究工作。根據(jù)這一基本原理 , 多相層流微流控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

3.微流控層流研究與應(yīng)用

①層流界面之間的分子擴散、轉(zhuǎn)移現(xiàn)象及應(yīng)用

萃取是化學實驗中一項最基本的操作之一 , 主要是體現(xiàn)在兩個不同液相界面上的分子的擴散、轉(zhuǎn)移。由于微芯片上的微型化通道具有較大的比表面積和較小的擴散距離等優(yōu)點 , 微通道內(nèi)的萃取操作 具有試劑消耗量極少、擴散時間短和分析速度快等 優(yōu)勢 ,從而實現(xiàn)在不用任何機械攪拌、混合、震蕩的條件下完成高速高效的分離分析。還可以針對不同 的需求設(shè)計出不同的微通道模型 ,如單一的“H”型、 “Y”型、“T”型 ,以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)型、二維通道、三維 通道等。在生命科學研究 ,尤其是在貴重試劑的制備和分析檢測等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前 ,在這方面的研究已經(jīng)取得了很大成功。 Yager 等根據(jù)兩相界面間的分子、離子的擴散來研究 H + 的過濾[15 ]在微流控芯片上完成了 Ni2 + 從水溶液中向氯仿中的萃取 ;在多相層流微流控芯片上實 現(xiàn)無機相和有機相界面間 Co2 + 的分離分析等。 Tokeshi 等也利用微型注射泵有效地控制有機相和水相的流速從而保證在微通道中形成穩(wěn)定的層流 , 將 Fe2 + 從水相中萃取到有機相中。在溶液中加入染色示蹤試劑 ,根據(jù)染色劑流向可以觀察到 Fe2 + 從水相萃取到有機相的全過程 ;通過變換實驗條件 , 分別檢測不同濃度的標準 Fe2 + 溶液 ,根據(jù)得到的數(shù)據(jù)作出標準曲線圖 ,就可以進行定量的在線檢測。 Zhao 等 利用層流技術(shù)結(jié)合逆流進樣的方法實現(xiàn)了兩種不溶相之間的萃取操作 ,該方法使兩相界面之間接觸更加充分 ,萃取更加完全。方群等在液-液萃取 ,微孔膜萃取和液-液萃取與氣相色譜聯(lián)用等方面的研究也都取得顯著的成績 ,實現(xiàn)了層流 分離對溶液中 K + 的提取和在線電化學檢測。

隨著這一基本操作的日趨成熟和完善 , 這種技術(shù)方法已經(jīng)被進一步應(yīng)用到有機合成反應(yīng)的研究 , 尤其是貴重、難以制備的試劑間的反應(yīng) , 以及反應(yīng)速率的控制與檢測等眾多領(lǐng)域。應(yīng)用層流連續(xù)平行流的特點 , 通過有效地控制微型通道的長度來控制反應(yīng)時間 , 使反應(yīng)能夠穩(wěn)定進行并且盡量提高反應(yīng)產(chǎn)率。層流分析技術(shù)將芯片分析與質(zhì)譜分析或氣相 色譜分析聯(lián)用 ,大大節(jié)約了分析成本 ,已經(jīng)初步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。在生物醫(yī)學方面也利用層流技術(shù)對脂肪層生物蛋白質(zhì)進行了立體性選擇分離和提純等分析操作, 采用計算機模擬的方法根據(jù)復(fù)雜的微通道網(wǎng)絡(luò)中的溶液與示蹤染料的混合流向 , 計算分析得到了微芯片通道選擇分析的最佳流體流向途徑和最優(yōu)化數(shù)據(jù)。

隨著層流在萃取等方面的研究應(yīng)用 , 其檢測技術(shù)也有了進一步的發(fā)展提高。目前 , 在層流萃取分析方面應(yīng)用了在線照相(photograph) 檢測技術(shù) , 能夠準確直觀地觀測分析的整個過程。某文獻報道了應(yīng)用準彈性激光散射檢測方法 ( quasi2elastic laser scattering ,QELS) 分析層流過程中水相Π有機相界面間金屬鰲合物的萃取現(xiàn)象。在這種方法中不必用探測示蹤原子或分子 , 檢測簡單準確, 可以適用于溶液的溶解、混合、萃取等研究領(lǐng)域。

②層流界面間的化學反應(yīng)及其應(yīng)用

由于層流一維流體的特點 , 在接觸界面間可以保持自身穩(wěn)定的流型不受破壞 , 如若控制流體的流 速則可以有效控制相界面間粒子擴散的程度?；趯恿鞯倪@種特性可以在通道內(nèi)實現(xiàn)試劑混合、聚合反應(yīng)、催化反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、合成反應(yīng)以及與之相關(guān)的反應(yīng)速率控制 , 反應(yīng)過程的在線觀測和反應(yīng)產(chǎn)物的進一步檢測和應(yīng)用等。

微通道內(nèi)的雙相或者多相層流體系可以實現(xiàn)試劑特別是貴重的或者難以制備的試樣的混合 , 得到的混合溶液濃度和 pH 值等性質(zhì)都具有很高的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。這種方法尤其適用于生物科學和臨床醫(yī)學方面的研究 , 實現(xiàn)采樣、試樣預(yù)處理、化學反應(yīng) 和分析檢測一體化。微芯片分析本身對試劑消耗量 僅為納升級 , 因此可以有效地節(jié)省在轉(zhuǎn)移、分析和存貯過程中的試劑損耗。例 如 , Hosokawa 等設(shè)計出一種微型的試劑混合器 , 這種裝置將 4 個疏水性微型毛細管和1個微通道連接在一起 , 通過調(diào)節(jié)毛細管中氣體的壓力 , 使得微通道中兩相流體在氣壓的作用下混合完全 , 該體系尤其適用于微量和痕量分析。Manz 小組也根據(jù)微通道內(nèi)平行層流的特點設(shè)計了一個微型試樣混合器 , 這個芯片由玻璃Π硅片Π玻璃三層結(jié)構(gòu)組成 , 其尺寸大小為 5 ×10 ×2 mm ,該微通道的內(nèi)存容量僅為 600 nl。為了檢驗該微通道的試劑混合性能 ,將熒光素和羅丹 明作為兩相待混合流體通過進樣口的多組毛細管流入同一微通道內(nèi) , 可以觀察到多組層流在通道內(nèi)逐 漸混合為一體的過程 , 同時可以檢測到整個試劑混合過程花費的時間僅僅為毫秒級。經(jīng)過實驗測定 ,這個微型混合器適用的流體流量范圍非常廣泛 , 1 —200 μlΠmin 的流體流量溶液都可以達到很好的混合。

在整個合成反應(yīng)中 , 試樣的混合、加熱和冷卻是一個關(guān)鍵的整體步驟。由于容器自身的特點 , 在容器中的反應(yīng)經(jīng)常是首先在局部發(fā)生 , 從而產(chǎn)生一些不必要的誤差并且反應(yīng)效率也會受到影響。微通道具有較高的比表面積 , 而且對溫度的控制很容易實現(xiàn) , 通過電熱塊加熱控溫可以形成較好的溫度梯 度 , 有利于反應(yīng)速率的控制。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)型微通道設(shè)計可以實現(xiàn)試樣在線混合、檢測以及反應(yīng)的 控制等操作。多種試劑從不同進樣口進入同一微通道內(nèi) , 在網(wǎng)絡(luò)型微通道內(nèi)實現(xiàn)試樣的充分混合 , 使反應(yīng)進行完全。

應(yīng)用層流間兩相的聚合反應(yīng)在微通道內(nèi)形成聚合物薄膜 , 將微通道分為兩個獨立通道 , 通過這層 聚合物薄膜可以實現(xiàn)不同流相中粒子的選擇分離提 取 , 這也是層流分析的重要應(yīng)用之一。Hisamoto 等 就曾經(jīng)提出由于微通道具有較大的比表面積 , 可以通過有機相Π水相兩層流 , 有機相Π水相Π有機相 三層流界面間的聚合反應(yīng) , 在通道內(nèi)部形成平行的尼龍聚合物薄膜結(jié)構(gòu)(如圖 1 所示) , 并且應(yīng)用這種通道內(nèi)薄膜實現(xiàn)了 NH+ 4 的滲透分離和聚合物薄膜的表面酶化。Peterson 等也報道了相似的在微通道內(nèi)形成聚合物薄膜的加工方法。Kitamori等利用層流技術(shù)實現(xiàn)了在直徑250μm的微通道內(nèi)水相 和有機相之間的化學合成反應(yīng)。3 , 52二硝基氯苯作為有機相 ,和水相中的 DL212苯乙胺發(fā)生化學反應(yīng) , 該實驗表明層流界面之間的比表面積很大 , 使反應(yīng)物之間可以充分接觸 , 因此與傳統(tǒng)實驗裝置相比較在微通道內(nèi)進行的一些反應(yīng)的產(chǎn)率較高。

圖 1 在 X型微通道內(nèi)有機相Π水相界面間發(fā)生化學反應(yīng)形成聚合物薄膜

另外 , 由于聚合物薄膜本身具有彈性 , 可以通過這種薄膜的平行穩(wěn)定特性來控制通入通道內(nèi)的液 體或氣體的流速或流量 , 以保證液Π液 , 液Π氣相對 穩(wěn)定的流速和流量比率 ;還可用生化酶實現(xiàn)尼龍薄 膜的表面改性 , 使聚合物薄膜具有選擇性滲透、吸附的作用。根據(jù)這種層流反應(yīng)可以在通道內(nèi)形成多層平行的聚合物薄膜 , 用不同種類的生化酶分別對通道內(nèi)形成的這種平行多層薄膜進行表面改性修飾 , 就可以實現(xiàn)多相平行分析檢測。根據(jù)同樣的原理 , 將催化劑有效沉積在薄膜的表面 , 可增大催化材料的比表面積 , 從而加快通道內(nèi)相匹配的催化反應(yīng)的速率。

利用層流界面之間的氧化還原反應(yīng) , 將金屬絲沉積在微芯片通道內(nèi) , 可以用作電極 , 將電化學檢測系統(tǒng)建立在微芯片上 , 實現(xiàn)微芯片上電化學檢測 與分離分析的集成化 , 應(yīng)用在微反應(yīng)器、微型傳感器中。Kenis 等利用微通道界面間的還原反應(yīng)將 金屬 Ag 還原沉積到通道表面 , 形成一條精細的金 屬線。用作 Ag 電極 , 有利于芯片的集成化。利用相同的原理可將其它金屬與芯片結(jié)合 , 加工制作成微反應(yīng)器或微型傳感器的敏感元件。這種加工方法對試劑的消耗量極少 , 因此更有利于一些貴重的稀有金屬如鈀、鉑等在微流控體系中的制備與加工。

③層流在制備納米材料方面的應(yīng)用

隨著納米材料科學的快速發(fā)展 ,許多制作納米材料的方法已經(jīng)被開發(fā)出來, 如固定的沸石微反應(yīng)器和多孔硅質(zhì)微反應(yīng)體系等。但是這些加工方法本身的生產(chǎn)成本較高 , 難以得到普及應(yīng)用。目前 , 某文獻報道了根據(jù)微通道內(nèi)多相層流現(xiàn)象 , 即在不同相界面間發(fā)生反應(yīng)和分子擴散這一特點 , 實現(xiàn)了通過控制反應(yīng)流體的流速和粘滯力的大小控制反應(yīng)產(chǎn)物顆粒的大小。Kenis 等提出使 NaHCO3 、CaCl2 和 KH2PO4三種溶液平行通入微通道內(nèi)發(fā)生反應(yīng)生成 CaCO3 顆粒沉淀 , 如圖 2 所示。這個實驗說明了層流反應(yīng)形成微小顆粒的可行性。同 時 , 通過有效合理地控制流體的流速以控制在相界面上發(fā)生連續(xù)反應(yīng)的速度 , 可以間接調(diào)節(jié)控制生成的沉淀顆粒大小 , 為納米材料的制備開拓了一個新的局面。Wang 等 利用層流反應(yīng)生成的二氧化鈦沉淀顆粒就達到納米級 ,甚至小于 10nm。應(yīng)用這種方法反應(yīng)生成催化劑微型顆粒并且將其有效地沉積在通道內(nèi)表面 , 可以用來實現(xiàn)通道內(nèi)的催化反應(yīng)。 如圖 3 所示 , 利用層流反應(yīng)和溶膠2凝膠過程在微通道內(nèi)壁固定一層納米級生化酶 , 從而形成一個生化酶固化微通道反應(yīng)器 , 具有廣泛的應(yīng)用 。除此之外 , 一些貴重金屬催化劑和有機催化劑也可以通 過這種方法制備到微型反應(yīng)器中 , 從而加速并控制通道內(nèi)反應(yīng)的反應(yīng)速率。這種方法同樣也適用于生 物大分子和蛋白質(zhì)分子形態(tài)的控制 , 例如應(yīng)用層流定位觀察控制神經(jīng)細胞的生長過程。

圖 2 在微通道內(nèi)由 NaHCO3 , CaCl2 和 KH2 PO4 三相流體形成的兩層界面之間發(fā)生沉淀反應(yīng)形成方解石和磷灰石顆粒的過程

④微流控層流刻蝕加工技術(shù)

多相層流微流控體系也發(fā)展并完善了微芯片的加工技術(shù)。普遍被應(yīng)用的微芯片的加工技術(shù)是光蝕刻和軟蝕刻兩種 , 但是這兩種方法的精密度較低、 制作工序復(fù)雜 , 而層流蝕刻的發(fā)展則有效補充了前兩種制作方法的這些不足。如微型 印刷術(shù) (microprint) 、在毛細管內(nèi)的微型模板技術(shù)和可復(fù)制模板技術(shù)等 ,比傳統(tǒng)的加工方法更加簡便易行 , 不 必經(jīng)過復(fù)雜的封合步驟 , 并且有利于實現(xiàn)復(fù)雜的多維通道模型的加工制作 , 從而有效地提高了芯片的集成度。最值得一提的是它可以在密封的毛細管通道內(nèi)進一步刻蝕加工 ,提高了微芯片通道的復(fù)雜化 程度。它不僅可以應(yīng)用于玻璃芯片 (通過 KF 溶液 和 HCl 溶液的層流反應(yīng)蝕刻得到) , 而且可以應(yīng)用于聚二甲基硅烷 (polydimethylsiloxane , PDMS) 材料上 , 而這種材料更適合于生物醫(yī)學和藥物分析方面的研究。Chen 等  應(yīng)用層流技術(shù)在線得到不同濃度的光刻膠溶液 ,同時將光刻膠涂覆在 PDMS 澆注得到的三維微通道內(nèi)作為光刻掩膜 ,然后用紫外光照射。由于通道表面涂覆的光刻膠具有一定濃度梯度 ,顯影后得到的微通道也具有一定的大小梯度 ,繼而得到不同深寬比的微通道 ,可將其應(yīng)用于生物細胞分析領(lǐng)域。

在應(yīng)用微流控毛細管電泳技術(shù)分析研究細胞過程中 , 細胞的進樣、沉積以及溶膜過程是研究的熱門課題。由于細胞本身多帶有電荷 ,因此一般采用夾流進樣的方法 , 通過控制電流的方向和大小 ,從而使得細胞貼壁沉積 , 然后溶膜。這種技術(shù)方法要 實驗技術(shù)較高并且電滲流會影響分析的過程和結(jié)果。而應(yīng)用層流刻蝕的方法加工制作微芯片 , 使得通道內(nèi)部可以提供與細胞尺寸相當?shù)亩ㄎ稽c , 從而有效控制細胞 ,實現(xiàn)對細胞的進一步分析檢測。 如圖4所示 ,采用層流刻蝕技術(shù) ,通過控制流體的流量大小 ,按照微通道加工需要 ,調(diào)節(jié)蝕刻劑和非蝕刻 劑流量比率 ,就可以在通道內(nèi)蝕刻出細胞大小的凹槽等需要的通道形式 , 以便于細胞的沉積和分析等。

目前 , 層流刻蝕形成的芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學分析和藥物合成領(lǐng)域 , 加快了化學生物分析技術(shù)的發(fā)展。層流刻蝕通過控制流速和流體粘度 來控制通道的內(nèi)徑與細胞生物大分子的大小相適應(yīng) , 從而實現(xiàn)對其的分離分析和定位分析等。

⑤微流控層流在生命醫(yī)學方面的應(yīng)用

微通道內(nèi)的多相層流擴散分離技術(shù)也逐漸在生命醫(yī)學方面的研究中得到廣泛應(yīng)用。兩相或多相流體形成的界面可以根據(jù)粒子如離子、蛋白質(zhì)和細胞等的大小進行選擇擴散。小粒子可以通過界面擴散到相鄰相中而留下大粒子 ,從而達到不同 粒子的分離分析 , 可應(yīng)用于人血液中血清白蛋白的測定 ,血液 pH 的測定 ,血液中 K + 的測定 ,細胞內(nèi)物質(zhì)的提取、分離與檢測 , 以及蛋白質(zhì)的凈化等。

圖4層流刻蝕加工的結(jié)構(gòu)舉例 :a、b) 通過從進樣通道調(diào) 節(jié)流體的流速形成不同尺寸的微通道 ;c) 在微通道內(nèi)定位 蝕刻 ;d) 7 個進樣流體層流蝕刻而獲得的復(fù)雜結(jié)構(gòu) ;e) 同時控制刻蝕液的流速和通過時間而獲得的多層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)細胞或蛋白質(zhì)的大小不同 ,層流技術(shù)可以實現(xiàn)生物試樣預(yù)處理和分離提純等。例如傳統(tǒng)捕獲 精子的方法是難以操作和控制的 , 而應(yīng)用多相層流技術(shù)將試劑中的活精子和死精子以及其他大分子殘 骸分離的方法 ,既簡單又容易操作控制 , 實現(xiàn)了試樣的預(yù)處理提純 , 提高了在線檢測的分析效率。這種技術(shù)設(shè)計填補了臨床上針對極少量精液試劑的分析設(shè)置。而且由于其小巧簡單 ,因此也同樣適用于家庭化檢測。Jandik 等根據(jù)生物分子的重量不同 ,在“H”型微通道內(nèi)實現(xiàn)了抗生素的預(yù)處理工作 , 完全避免了使用離心分離機或者其它通用方法的不利影響。

一般生物分析中所選用的試樣量都是極其微量的 , 采用傳統(tǒng)的分析測定方法有較大的難度和不便 , 而采用微流控系統(tǒng)控制解決小體積貴重試劑的混合和稀釋 ,比傳統(tǒng)的溶液混合稀釋方法要操作簡單易行而且分析效率也較高。Jiang 等提出了一個微型稀釋網(wǎng)絡(luò)通道設(shè)計 (microchannels microdilutor networks , μDN) , 在微通道內(nèi)實現(xiàn)對生物抗體和抗原試樣的預(yù)處理 , 應(yīng)用微流控通道網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溶液的連續(xù)性稀釋 ,從而得到一系列不同濃度的溶液 , 并 在同一芯片上實現(xiàn)艾滋病毒 (HIV) 的在線分析檢測操作。最近 ,Whitesides 等 利用同樣的層流分析原理 ,采用螺絲作為閥門 ,控制流體流向 ,實現(xiàn)了芯片微通道內(nèi)生物免疫分析 , 成功地實現(xiàn)了對人體內(nèi)血清 IgA 和 IgG值的分析測定。相信這種方法將在臨床醫(yī)學、環(huán)境科學和生物化學領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前 景。另外 , 也有文獻提出網(wǎng)絡(luò)型微芯片通道的分析過程 , 即通過研究控制流體的流速 , 在通道內(nèi)以層流的方法將溶液混合稀釋而形成固定的濃度梯度特征。因此可以形成一系列具有固定濃度梯度的溶 液 ,以用于分析檢測和標準曲線的繪制。

另外 ,根據(jù)微通道內(nèi)流體的層流特性可以實現(xiàn) 對一些生物反應(yīng)的在線檢測。一些生物反應(yīng)如細胞體的特性檢測都是在極短的時間內(nèi)進行完全 ,而且 細胞分子體積小 ,難以控制 ,若選用常規(guī)方法觀察分 析是難以完成的。微通道內(nèi)層流具有較高的流體穩(wěn) 定性和重現(xiàn)性 ,因此更加便于芯片內(nèi)細胞反應(yīng)的觀察研究 ,實現(xiàn)“定位分析”。Takayama 等 在 PDMS和玻璃的混合芯片的微米級通道內(nèi) ,通過控制進樣壓力實現(xiàn)了在 3 個微通道匯合處對單一細胞的分析檢測 ,并且在微通道內(nèi)實現(xiàn)了細胞沉積和酶催化。該實驗論證了不同蛋白質(zhì)和細胞的表面型 態(tài) ,并且解釋了酶對細胞或細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的選擇反 應(yīng)。Yamada 等在 37 —96μm 的微通道內(nèi)利用兩相層流技術(shù)實現(xiàn)了大細胞的萃取分離分析。實驗表 明 ,當微通道的內(nèi)徑進一步減小 ,分離效率也會有很大的提高。

3.微流控層流發(fā)展的方向

目前微流控多相層流技術(shù)已經(jīng)取得了有目共睹的成就。我們相信微流控多相層流技術(shù)將會發(fā)展得更加成熟 ,其發(fā)展前景具體體現(xiàn)在以下幾個方面 :

(1)在微流控芯片加工技術(shù)方面來看 ,充分應(yīng)用計算模擬技術(shù)設(shè)計微芯片模型 ,使得層流不再只是適合于簡單 的“T”型、“Y”型通道。考慮到微芯片通道與傳統(tǒng)分析反應(yīng)器的區(qū)別 ,加強對通道的模型、尺寸以及深寬比的理論研究和對芯片通道內(nèi)壁的涂覆和化學修飾的研究應(yīng)用 ,從而有效提高微芯片通道內(nèi)的反應(yīng)穩(wěn) 定性 ,提高分析分離的靈敏度 ,延長芯片的使用壽命。另外 ,在加工材料的選擇方面 ,不僅僅是應(yīng)用光學玻璃 ,更應(yīng)擴展對其它材料的嘗試和使用。目前有機聚 合物材料如PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate , PMMA) 和有機玻璃等的廣泛使用 ,彌補了玻璃作為通道載體的加工過程繁瑣 復(fù)雜、通道深寬比難以控制等不足。（汶顥股份提供PDMS芯片、PMMA芯片、玻璃芯片、紙芯片等材質(zhì)微流控芯片）

(2)在應(yīng)用的范圍上來看 ,目前層流技術(shù)還只是應(yīng)用在兩相或者三相的分析反應(yīng)上 ,層流技術(shù)在多相平行分析方面的應(yīng)用還有待于進一步提高。這就對微芯片通道的加工設(shè)計提出了新的要求。層流技 術(shù)的應(yīng)用將不會只是局限于二維通道 ,而是會被廣泛應(yīng)用于PDMS等材料制備的三維芯片上。相信立體化、多樣化的微芯片通道將會更加成熟地發(fā)展下去 ,也將為擴展多相層流的應(yīng)用提供必要的條件。

(3) 微芯片的集成化更是目前和將來研究的重點。芯片通道的微型化有著優(yōu)于傳統(tǒng)分析儀器的一 些特點 ,但是由于微芯片耗試劑量極小 ,因此仍然存在著采集、進樣和檢測等系統(tǒng)和芯片難以匹配的現(xiàn)象。這也是要盡快解決的問題 ,否則微芯片的應(yīng)用發(fā)展同樣會受到這些因素的影響限制。Du 等 成功地將流動注射自動進樣系統(tǒng)與微芯片通道聯(lián)系起來 ,實現(xiàn)了進樣與分析的一體化。該體系能夠?qū)崿F(xiàn) 10000 Πh 進樣分析 ,為微芯片的廣泛應(yīng)用打開了一個新的局面。在微芯片上實現(xiàn)采集、進樣、分析和檢測的集成化是微芯片研究的一個關(guān)鍵所在 ,也是微芯片走向工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

(4) 當前微流控分析的重要研究方向包括細胞生物學應(yīng)用 ,免疫及分子診斷、臨床分析應(yīng)用和納流控分析等 , 強調(diào)對單細胞分析的采樣、定位、溶膜等過程的操控。層流作為其中的一種加工和分析手段 將具有廣泛的應(yīng)用前景 ,它將被普遍應(yīng)用于分離分析、合成反應(yīng)、材料制備、模型加工、臨床醫(yī)學和生物化學等眾多領(lǐng)域。（原標題：微流控層流技術(shù)的研究 文章來源：浙江大學化學系 微分析系統(tǒng)研究所 文章編號 : 10052281X(2006) 07/8-0966-08）