微流控芯片发展与展望

芯片实验室

微流控芯片发展与展望!

方肇伦

方

群

杭州

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（浙江大学化学系微分析系统研究所

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摘要介绍了微流控分析系统的一般特点、发展历史和近期的研究进展。分别讨论了微流控分析系统中有关

流控系统、芯片材料、检测系统、集成化系统、分离系统、试样引入和前处理系统等研究领域的发展趋势，并对微流控分析系统的应用前景做出了展望。

关键词

微流控分析；微流控芯片；微全分析系统；芯片实验室

456

中图分类号

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!前言

创造了条件。微流控分析（A*-B:@+;*O*-M3)+C,*,）是微型

全分析系统的主要组成部分，而将化学分析的多种功能集成在邮票大小的芯片上的微流控芯片（A*-B:@+;’又是当前最活跃的发展前沿，代表着$"世*O*--1*G,）

纪分析仪器走向微型化、集成化的发展方向，已成为国内外许多著名实验室的奋斗目标。

微流控芯片与前些时间报道较多的生物芯片（U*:-1*G,）或称微阵列芯片（A*-B:)BB)C-1*G,）统属S4E系统，在我国常被混为一谈，或把微流控芯片包容在生物芯片之中，但实际上微流控芯片与生物芯片涉及的是两个完全不同的学科技术领域，并经历了各自独立的发展过程。因生物芯片的应用对象主要是FVM分析，所以早期也称为FVM芯片，其发展要早于微流始于%#年代末。其发展契机主要来控芯片WX6年，

自于现代遗传学的一些重要发现，并直接受益于该领域的某些重要研究成果，即在载体上固定寡核苷酸的基础上以杂交法测序的技术。这类芯片在前

微型全分析系统（A*3*)>;B*.?OR:>)+M3)+C,*,DC,’

（S)Q:B)>:BC’:3’)’E1*G，简>?(,，RMD）或称芯片实验室

称S4E）是一个跨学科的新领域，其目标是通过分析化学、微机电加工（A&AD）、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化。四十年前微电子技术在信息科学的发展中引发了一场革命，并对$#世纪的科技发展起了重要的推动作用。最近的发展表明，T#年代初提出的以微电子加工技术

为依托的微型全分析系统，预计在未来十年内也将对分析科学乃至整个科学技术的发展发挥相似的作用。它不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到微升甚至纳升级，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍、百倍地下降，从而为分析测试技术普及到千家万户，实现分析实验室的“家庭化”“个人化”、

收稿日期：$##"Y#ZY""

!本文系第"56次香山科学会议报告论文。基金资助：本项目部分工作得到教育部和浙江省人事厅出国留学基金支持。作者简介：方肇伦，祖籍浙江定海，男，东北大学、浙江大学教授，中国科学院院士，主要研究方"T!W年生于天津，"T6Z年北京大学化学系毕业，向为流动注射分析和微流控分析。

万方数据现代科学仪器$##"W

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几年发展较快，在国外已实现深度产业化。在国内获得国家较大的重视，形成了发展规划，得到较多的开发研究经费支持，从而得到较大发展。微流控芯片则是!"年代初、中期主要在分析化学领域发展起来的，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，是当前微型全分析系统领域发展的重点。它的目标是把整个化验室的功能，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，因此较生物芯片有更广泛的适用性及应用前景。从表#中对微流控芯片与生物芯片的比较中可看出年首届!?)&会议以工作室的形式在荷兰%3@A060举

行，起到了推广微全分析系统的作用。#!!9年美国加

［;］州大学B08C0D02分校的$-EA+0=等人在微流控芯片上实现了高速’()测序，微流控芯片的商业开发价

值开始显现，而此时微阵列型的生物芯片已进入实质首家微流控芯片企性的商品开发阶段。同年!月，业，虽然只有三十*-D+F08?0@A3GDG1+0=公司在美成立，多名雇员，但一年即集资近千万美元。#!!H年$-EA.

［9］

又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应+0=等

（I*

微流控芯片当前无论在基础研究还是产品开发方面国际上的竞争都日趋白热化。参与竞争的既有世界名牌大学和研究所，也有世界最大的分析仪器厂家。然而目前在微流控芯片各方面都领先的美国也仅在!"年代中期才有较大投入，起步时间都还不久。如有相应的组织与投入，我们就有可能迅速赶上本领域的国际先进水平。

表!

微流控芯片与生物芯片的比较

微流控芯片

生物芯片主要依托学科分析化学、$%$&生物学、$%$&结构特征微管道网络微探针阵列工作原理微管道中流体控制生物杂交为主使用次数数十至数百次一般一次前处理功能多种技术供选择基本无

集成化全化验室功能高密度杂交反应阵列应用领域全部分析领域’()等专用生物领域产业化程度

初始阶段

深度产业化

"微流控芯片型微全分析系统的简要发展史

微全分析系统的概念是在#!!"年首次由瑞士

*+,-./0+12公司的$-34与5+6708提出

［#］

，当时主要强调了分析系统的“微”与“全”，及微管道网络的$%$&加工方法，

而并未明确其外型特征。次年$-34等即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，从而把微系统的主要构型定位为一般厚度不超过9毫米，面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板

芯片［:］。但直到#!!;年之前这一新领域的发展前景

并不十分明朗。#!!;年始，

美国橡树岭国家实验室

［>］

在$-34的工作基础上发表了一系列论文，改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，引起了更广泛的关注。在此形势下，该

:

万方数据流控芯片上的多通道毛细管电泳’()测序，从而为

微流控芯片在基因分析中的实际应用提供了重要基础。与此同时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也在加紧进行，#!!J年之后专利之战日益激烈，一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家合作，利用各自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪器。#!!!年!月惠普

（现)1+D03E）与*-D+F08联合研制的首台微流控芯片商品化仪器开始在欧美市场销售，至今年J月已可提供用于核酸及蛋

白质分析的9KH种芯片［H］。其它几家厂商也于今年

开始将其产品推向市场。

:"""年9月第四届国际!.?)&会议的召开是对微全分析系统发展的一次全面检阅，它预示着微全分析系统的一个更大的发展高潮即将到来。

#微型全分析系统的发展趋势

#）

继微阵列生物芯片之后，微流控分析芯片已成为微型全分析系统当前的发展前沿。这在第四届国际微型全分析系统学术会议（!?)&.:"""）

上有所反映。有关微流控芯片的会议论文数占总数的JLM，而

生物芯片仅占约;M

［L］

。:）

微流控分析系统从以毛细管电泳分离为核心分析技术发展到液.液萃取、过滤、无膜扩散等多种分离手段。其中多相层流分离微流控系统结构简单，有

多种分离功能，具有广泛的应用前景［J］（图#）。已有多篇文献报道采用多相层流技术实现芯片上对试样

的无膜过滤、无膜渗析和萃取分离。同时也有采用微加工有膜微渗析器完成质谱分析前试样前处理操作

的报道［#>］

。亦有文献报道采用微加工方法制作微型过滤器［L（图］:）。

>）

微流控分析系统从以电渗流为主要液流驱动手段发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等

多种手段。例如，’NOO2等

［!］

研究了以离心力驱动试样和试剂的园盘式微流控系统，同时实现;J个通道

$G6083&@+03E+O+@P3=E8N703E=:""#;

的酶法比色测定。后，计算机控制反应室温度，/3

微流控分析系统从单道检测发展到多重平行检测。加州大学伯克利分校"#$%&’(的研究组在)***年提出了集*+个分离通道于一体的如,-光盘的微

流控阵列毛细管芯片系统［).］

，用此芯片仅用/分钟便平行测定了*+个-01试样的片段（图2）。3）

微流控分析系统从以激光诱导荧光及光度法为主要检测器发展到多种检测手段，如电化学、质谱、原子光谱、光声光谱、化学发光等。最近黄晓晶等实现了毛细管电泳微流控芯片上金属离子与氨基酸的

分离与化学发光检测

［))］

。+）

微型全分析系统已从分离检测发展为包括复杂试样前处理的高功能全分析系统。"#45的研究组提出了聚合酶链反应（6,7）微流控芯片扩增反应

器［)/］。芯片上的通道每个循环经过由三个加热铜块

提供的6,7变性、退火及延伸温区，总共循环/.次。

用此装置最快时*.秒后即可得到扩增的-01试样，不但仪器体积缩小，减少了试样和试剂消耗，还提高了扩增速度。6,7芯片还同时提供了与-01测序芯

片联用或集成化的可能性。899::’;等

［!］

则使用一个集成在芯片微通道入口处的可变温反应室进行6,7

扩增与和毛细管电泳联用。反应物加入6,7反应室

现代科学仪器万方数据/..)!

环。扩增与分离全过程在/.分钟内完成（图!）。

=）

微全分析系统从成分分析工具发展到包括在线检测的微型化学反应与合成手段，在新药物筛选中显示出强大的生命力。

>）

微全分析系统从一般成分分析发展为单分子、单细胞分析。最近?9(@%等［)2］

在硅A玻璃微流控芯片上用共聚焦荧光显微技术检测了四甲基罗丹明标记的单个分子。

*）

微流控芯片从以玻璃基质为主发展到玻璃与高分子聚合材料并重，尤其在芯片的产业化方面，后

者将更具备优势［)!］。

).）

微全分析系统开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开发阶段。**年1B&:’4$C’@%A49:9B&’(与,#:&D’EC’@%49:9B&’(联合推出的具有代表性的商品化仪器F&9#4#:;5’E/)..测定-01的)G=>H

)G=>@I芯片

［+］

。其中间通道为毛细管电泳分离通道，仅长约)3II。片上四个较大的孔为缓冲液及标

准梯形条带试样池，)/个较小的孔为试样池，

分别通向分离通道并与之交叉。当每个液池同时插入电极，并按一定次序通以高电压或切断时，)/个试样按十字通道进样的相似原理，相继注入分离通道，仅用/.多

2

秒，并立即在通道终端用激光!"#片断即达到分离，

诱导荧光法进行检测。全部$%个试样的测定约需&’分钟。芯片价值十几美元，为一次性使用，测定$%个试样后即弃去。其它竞争对手还有#()*+*,-./0(-12(13，4+(5-6,-.0(-12(13等。

微流控分析目前发展中的一个主要薄弱环节$$）

是宏观试样与微芯片的衔接或接口问题，这已在本领域的研究者中取得共识。它对微流控系统的实际应用与普及十分重要，但目前进样多采用手工完成，效率低下，可靠性也较差。进样与换样的自动化、微型化、集成化势在必行。我们最近提出了一种流通式连续进样系统，在微流控芯片毛细管电泳分析中可连

续进、换样数百次，携出率小于$789［$8（图］8）

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微流控芯片发展与展望

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

方肇伦， 方群

浙江大学化学系微分析系统研究所现代科学仪器

MODERN SCIENTIFIC INSTRUMENTS2001，(4)38次

1.Manz A Miniaturized Total Chemical Analysis Systems: A Novel Concept for Chemical Sensing 1990(01)2.Harrison D J Micromachining a Miniaturized Capillary E lectrophoresis Based Chemical Analysis Systemon a Chip 1993(261)

3.Ramsey J M Microfabricated Chemical Measurement System s 1995(01)

4.Woolley A T.Mathies R.A Ultra-high Speed DNA Sequencing Using Capillary Electrophoresis Chips 1995(67)5.Woolley A T Functional Integration of PCR Amplificatio n and Capillary Electrophoresis in aMicrofabricated DNA Analysis Device 1996(68)6.查看详情

7.Van Den Berg.A Olthuis W.Bergveld P Micro To tal Analysis Systems 20008.Van Den Berg.A Olthuis W.Bergveld P Micro Total Analysis Systems 2000

9.Duffy D C Microfabricated Centrifugal Microfluidic Sy stems: Characterization and Multiple EnzymaticAssays 1999(71)

10.Shi Y Radial Capillary Array Electrophoresis Microp late and Scanner for High-performance NucleicAcid Analysis 1999(71)

11.Huang X -J Capillary Electrophoresis System with Fl ow Injection Sample Introduction andChemiluminescence Detection on a Chip Plate form 2001(126)

12.Kopp M U Chemical Amplification: Continuous-flow PC R on a Chip 1998(280)13.Van Den Berg.A Olthuis W.Bergveld P. (Eds.) Micro Total An alysis Systems 200014.Soper S A Polymetric Microelectromechanical Systems 2000(72)

15.Fang Q A High Throughput Continuous Sample Introduct ion Interface for Microfluidic Chip Based onCapillary Electrophoresis Systems

1.学位论文 黄辉 基于磁性微球的PMMA微流控免疫分析芯片系统的研究 2007

免疫分析技术是生物学中一种重要的分析方法，由于具有高度的特异性和敏感性，已广泛用于临床医学诊断、药学分析、环境监测及生物学研究等领域，但目前常规免疫分析方法存在分析时间长、操作繁琐等缺点，限制了其在现场快速检验中的运用。

微流控分析作为一种新的微型化分析平台，具有分析效率高、消耗试剂少、易于集成化与便携化等优点。研究将微流控芯片、超顺磁性微球技术、化学发光技术结合起来，研究基于微流控芯片的微型化免疫分析系统，以满足能够基层医院及在军事等特殊条件下进行免疫分析的需要。 在本项目研究中，我们所获得的主要结果和结论归纳如下：

(1) 目前大部分微流控分析芯片只能一次性使用，导致检测成本过高，而且由于加工工艺的限制，不同芯片之间的差异也会导致检测过程中系统误差增大。针对这一现状，我们将超顺磁性微球用于微流控分析芯片系统，以实现微流控芯片的可重复利用。将超顺磁性微球引入微流控芯片还可以提高分析的灵敏度。

(2) 由于具有灵敏度高，检测线性范围宽的优点，实验采用化学发光作为免疫分析的检测信号，化学发光信号不需要激发光的激发，免除了各种可能因素给分析带来的影响，使分析结果更加灵敏稳定可靠。化学发光信号检测装置相对比较简单，为芯片分析系统的微型化提供了一定的基础。

(3) 目前微流控芯片主要是以硅片为材料，通过光刻和蚀刻技术进行加工，然后可以获得精度很高的微流控芯片，但是这种方法存在对加工条件要求高、加工周期长、加工成本贵等缺陷。研究提出以高分子聚合物为芯片材料，采用激光法微加工技术加工微流控芯片。在实验中，通过自己构建的的激光加工装置，对加工过程中激光强度、加工次数、通道表面修饰处理、键合条件等进行了优化，获得比较好的芯片，能满足研究的需要。这种芯片微加工方法对加工设备要求低、加工周期短，是一种较好的微流控芯片快速加工技术。

(4) 我们构建了由流体控制系统、免疫反应系统和信号检测处理系统等几个部分组成的微流控免疫分析芯片装置。采用该装置通过设定的分析程序成功地实现了 AFP 双抗体夹心法免疫分析和 T 竞争法免疫分析，其分析结果与 Beckman Coulter ACCESS 免疫分析仪分析结果无显著性差异，整个分析可以在

20分钟内完成，所消耗的抗原抗体试剂量仅为5μl，远远低于其他分析方法。该系统测定AFP的灵敏度为0.27ng/ml，测定总T的灵敏度为0.18ng/ml，均明显高于常规免疫分析方法。因此采用我们制作的微流控芯片系统可以完成免疫分析，检测性能优于常规免疫分析，基本能体现微流控芯片快速、高效、消耗试剂小的优点。由于我们对微流控免疫分析芯片系统的研究还处于起步阶段，在实验过程中还存在一定的不足，主要表现在芯片分析系统过于庞大、芯片设计过于简单等，还需在以后的研究中进行进一步改进。

研究将微流控芯片技术、超顺磁性微球技术、化学发光技术等技术结合起来，构建可以用于免疫分析的微流控芯片系统，该系统具有检测速度快、消耗试剂少等优点。研究为微流控芯片的可重复使用提供了一个新的途径，为微型化自动免疫分析装置的研究奠定了理论和技术基础。

2.会议论文 方群.富景林.贾志舰.张婷.徐光明.张涛.程永强.方肇伦 基于微流控芯片的分析仪器研究 2007

90年代初出现的分析化学新兴领域—微型全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems,(TAS),或称芯片实验室(Lab on a Chip),在近年来取得飞速的发展,已成为当前分析化学的发展热点之一。以微通道中微流体的操纵和控制为核心的微流控分析(Microfluidic Analysis),是(TAS的主要组成部分,目前已成为(TAS研究中最为活跃的领域。自2003年开始，作者课题组在微流控芯片分析仪器方面开展了一系列研究工作。其中之一是玻璃芯片的键合技术研究。芯片键合是微流控芯片加工的一个重要步骤。在后续工作中，继续拓展该技术在微流控芯片分析仪器和系统研制方面的应用。

3.学位论文 叶晓兰 基于微流控芯片的小型流式细胞仪研究 2008

随着微流控芯片加工技术逐渐普及和微流控分析方法研究的不断深入,微型全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems,μTAS)已将分析实验室的部分功能转移到便携化的分析设备中,为化学分析设备的微型化与集成化提供了基础,最终可以实现分析实验室的“个性化”、“家用化”,使分析仪器从化学实验室解放出来,进入千家万户。本研究组在2005年提出了应用于微流控芯片的正交型激光诱导荧光检测光路新模式,具有光路结构简单,易于搭建的特点。该检测模式曾被用于构建微流控芯片流式细胞分析装置,该实验中,在荧光微球前向小角度(6°)方向上检测前向光强度的变化,实现了芯片上荧光微球的计数功能；利用芯片侧壁作为采集面,实现荧光微球荧光的同时采集。在上述工作基础上,本文进一步进行了正交光路激光诱导荧光检测-芯片流式细胞分析仪的小型化研究。该仪器具有仪器结构简单、体积小、试样消耗量少、价格低廉等优点。

第一章,对流式细胞仪原理和基于微流控芯片的流式细胞仪的发展进行了综述。

第二章,基于芯片正交光路检测模式,搭建了一套小型的微流控芯片流式细胞仪。以532 nm小型半导体激光器作为激发光源,激光束被透镜聚焦于芯片通道中央,采用光电二极管检测芯片通道内流动细胞的前向散射光信号,采用小型光电倍增管检测荧光信号,整套仪器体积为19cm×15cm×25cm(长度×宽度×高度),具有结构简单、体积小、价格低廉等特点。荧光检测系统对四甲基罗丹明异硫氰酸的检测限为4.4×10-8 mo1/L,采用6μm荧光微球作为模型样品考察了仪器的分析性能,同时初步实现了细胞样品的分析。

4.学位论文 杨萌 微流控分析芯片的研制及检测应用 2009

微流控芯片作为新一代分析测试技术，在化学、生物、环境等众多领域发挥着重要作用。根据实际样品具有不同的特性，研制基于不同原理的检测系统是十分必要的。本文主要研究了两种微流控芯片检测系统及其在分析领域的应用。　　

第一部分搭建了激发光波长为532nm的微流控芯片共聚焦型激光诱导荧光(LIF)检测系统，并通过设计、优化、集成等多种方法，降低了系统的干扰和噪声，确保了微流控芯片LIF检测系统的灵敏度。用荧光染料罗丹明B(RB)检验此检测系统，连续进样、分离样品，检测信号稳定、重现性好。当染料RB的浓度在5×10-9～1×10-6 mol/L范围内，LIF的检测信号与RB的浓度成线性关系。RB的检测限可达2×10-9 mol/L。　　

第二部分应用微流控芯片激光诱导荧光检测系统，使用罗丹明类衍生物RBPhOH作荧光试剂，通过优化实验条件，测定了重金属铜离子。并实现重金属铜离子、汞离子的分离和检测。染料RBPhOH的浓度固定时，当铜离子浓度在6×10.7mol/L～1.56×10-5mol/L范围内，使用自建的LIF共聚焦检测系统进行测定，检测信号与铜离子浓度成线性关系。铜离子的检测限可达1.34×10-7 mol/L。　　

第三部分运用理论计算密度泛函方法，优化了罗丹明类染料RBPhOH、铜离子及其结合产物的构型，计算了反应物、产物的垂直激发能，解释了罗丹明类衍生物RBPhOH检测重金属铜离子的吸收光谱。　　

第四部分搭建了微流控芯片非接触电导检测系统。制作了可移动式非接触电导检测电极，设计、改进了检测电路。并通过多种方法，降低了系统的干扰和噪声，较大幅度地提高了微流控芯片非接触电导检测系统的灵敏度。用荧光染料RB对此检测系统进行验证，连续进样、分离样品，检测信号稳定、重现性好。

5.学位论文 李锋 微流控分析芯片中分光光度法吸收光谱分析的研究 2004

微流控芯片是微型全分析系统(μTAS)中当前最为活跃的领域和发展前沿,它集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想.而微流控芯片上的探测器的总体性能将影响整个芯片分析系统的检出限、检测速度、适用范围、体积等指标,是微流控芯片分析系统的一个关键部分.本课题针对微流控芯片探测过程中需要样品剂量少、与微流体芯片集成等要求和目前微流控芯片中吸收光度检测器存在的缺点,设计了两种在芯片内用分光光度法对混合液体的吸收光谱进行探测的方法.采用直接吸收探测时:透镜使得液体中的光束为平行光束,样品对光有一定的吸收,比较进入样品前后的光谱来确定样品中某种成分的浓度.这种传统的生化分析方法已经广泛地应用于医院.微流控芯片中探测池通常较小,探测池在传输方向的长度限制最大光程,如果在其他方向的可以制作得足够小的话,所需要的样品量就可以大大减小.基于这种思想,本课题首次采用了微型自聚焦透镜作为探测光输入输出器件,使得在光程不减小的情况下,需要探测的样品量由传统的l~2mL减少到50 μ L.采用消逝波间接探测时:利用光纤传感器中消逝波的产生和吸收原理[补1],制作具有高灵敏度的消逝波光纤传感器,消逝波光纤传感器使得光纤芯与被探测样品直接接触,当可见光在光纤中传播时,光纤芯外的消逝场与吸收样品发生作用,光强会有减弱,通过比较发生作用前后的光谱的变化确定样品的浓度.利用卤钨灯可见光光源、自行研发的微型光纤光谱仪,利用直接探测法和消逝波间接探测法对生化样品(主要是血清与溴钾酚绿混合液)进行了探测.实验通过探测吸收光谱,比较液体的吸收峰来确定血清中白蛋白的含量.与λ-9双光路光谱仪探测相比较,直接探测法吸光度误差为5.5％;消逝波探测与直接探测法相比,消逝波探测的吸光度灵敏度为直接探测的52.3倍.结果表明,两种方法均适用于微流控芯片,直接探测法具有原理简单,消耗样品量少,结构容易实现等优点;消逝波探测法具有需要样品量极少、灵敏度高、易于集成等的优点.

6.会议论文 张思祥.郑炜.关学强.冉多钢.刘伟铃 微流控分析芯片快速制造方法研究 2006

介绍了一种采用计算机辅助制造中快速成型技术实现微流控芯片快速制作的方法.采用VB二次开发工具(VBA)为开发工具,在计算机辅助设计(CAD)二次开发平台上建立微流控芯片三维CAD立体模型,并通过计算机软件算法对CAD模型进行分层切片,为实现微流控芯片计算机辅助制造提供加工数据.文中针对微流控芯片加工精度要求高的特点提出了采用位图数据图像格式(BMP)数据格式取代快速成型分层切片中常用的三角面片数据格式(STL),并对具体实现方法进行了详细介绍.

7.学位论文 孟庆宜 微流控分析芯片用于凝血检测的实验研究 2007

随着科学技术的发展和基础医学研究的进步，人们对止血与血栓的发生发展认识越来越深刻，其检测手段也越来越先进。与此同时，分析仪器也日益向着微型化、集成化与便携化的趋势发展。其中，微分析系统是这一发展时期的典型代表，随着微流控芯片技术的发展，特别是检测灵敏度的日臻提高，用微流控芯片对微量物质的分析与检测日益受到重视。本课题研究的目的就是采用微流控芯片作为检测容器，在凝血检测中最大限度地把加试剂、反应、检测等分析功能集成为一体。

本课题在分析、总结了传统的检测原理及方法的基础上，设计了利用微流控芯片进行凝血四项检测的基本方法。首先我们利用步进电机设计了离心力驱动微流控芯片结构，该结构可在芯片旋转过程中完成血浆与试剂的混合、反应等操作。同时，运用能发射红光和蓝光的双光束二极管为恒定光源，光束透过芯片的检测区，在其另一面有硅光电池接收光信号。在与凝结剂均匀混合后，血浆由于发生一定的理化反应而凝结，光信号也会随之发生改变。硅光电池将光信号的变化转换成电信号的变化，经采集可显示整个凝结过程图像，经数据处理后计算，可得到需要的信息。

本课题根据检测原理重点对检测装置的机械部分进行了设计和改善，选择了微流控芯片来替代传统的玻璃试管作为检测容器，以改进用玻璃试管检测时所存在的问题，提高精度和可靠性；同时，对检测系统的硬件电路部分和基于LabVIEW 的检测系统操作软件进行了设计和完善，以提高系统的准确性，可靠性和稳定性；并且在研究和改进过程中完成了大量有效的实验。

采用微流控芯片作为检测容器与传统玻璃试管相比，试剂混合均匀，能去除透镜效应，且实验一致性好。该检测系统的研究成功将进一步促进我国医学检测技术的发展，同时，将加快微流控芯片的产业化，为分析仪器提供新的经济增长点。

8.期刊论文 赵小网.张思祥.Zhao Xiaowang.Zhang Sixiang 基于CO2激光雕刻机的微流控分析芯片快速制造系统的研究 -现代仪器2007,13(1)

本文介绍一种在对现有微流控芯片加工方法进行综述的基础上,利用激光雕刻加工微流控芯片的方法.基于CO2激光雕刻机控制器原理及图像处理理论,开发研究针对BMP图像文件格式适用于激光雕刻的软件,通过图形处理生成加工路径文件后,经过再处理得到插补数据,利用半步偏差-几何最优法插补程序实现对X,Y轴步进电机和激光电源的控制,从而实现雕刻加工,将激光雕刻加工出的盖片和基片进行键合,从而制作出微流控芯片.

9.学位论文 胡宏华 微流控分析芯片的激光诱导荧光微球检测 2006

本文主要研究微流控芯片上的5.6μm微球激光诱导荧光的共焦光学检测方案，详细论述了该方案的设计过程和实验结果，由于微流控芯片液流传输系统和光学检测系统互相分离，因此本方案具有传统流式细胞检测模式所未有的优点。

微球的激光诱导荧光检测是当前医学和生物学领域研究的新方向。微球表面经过荧光分子标记，利用流式细胞仪技术对于微球进行荧光检测，是医学分析的基础。本文利用微流控芯片建立液体流场夹带5.6μm荧光微球逐个通过光学检测区；利用共焦系统建立激光诱导荧光的光学系统，通过优化系统参数，建立合理的荧光激发区域保证单个荧光微球的激发，并设计与微通道结构相吻合的光学层析深度，保证了光学系统检测的有效性和灵敏度。经过实验证明，本光学系统的对于藻红蛋白(R-phycoerythrin，R-PE)溶液的最低检测浓度达到0.45nMol/L，相当于122个分子的水平。其荧光微球检测的信噪比达到58.9，满足单个检测的灵敏度要求。

作为“全微分析系统(μ-TAS)”的范畴，本文第一章介绍了微流控芯片荧光检测领域的基本概念和进展，并在第二章从理论上详细叙述了本方案各大部分的设计基础。本文的第三章详细叙述了光学检测系统各个部分的详细设计和参数选择的过程，并在第四章对于整个系统进行了光学性能的测试，获得满足于要求的数据结果。本文的第五章对于整个方案进行了总结和展望。

10.学位论文 鹿燕 纳米修饰PDMS在微流控分析中的应用 2010

本论文总结了近年来各种纳米结构的制作方法，在阳极氧化的基础上制备多孔阳极氧化铝模板，用浇注该模板制得纳米结构修饰的PDMS基片，研究了纳米修饰PDMS对细胞生长的影响，并用纳米结构微流控芯片对药物小分子进行吸附富集，提高了分析检测的灵敏度。是将纳米技术与微流控分析技术相结合的应用研究，具有较好的应用价值。　　

第一章论文总结了近年来兴起的一种简单，方便的微加工方法一模板法，利用各种易得的具有纳米微结构的模板，来复制出纳米结构，并总结了近年来纳米结构在微流控领域的应用。　　

第二章介绍了阳极氧化铝模板的制备方法，利用二次氧化的方法，制备出多孔阳极氧化铝膜(AAO)，同时通过改变阳极氧化的时间，电压，温度，以及电解液种类等实验条件，制得孔径大小不同的AAO模板。并利用浇注法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制作出纳米结构，借助扫描电子显微镜(SEM)，原子力显微镜(AFM)等测试手段分析氧化铝膜和纳米修饰PDMS的表面微观形貌。　　

第三章研究了在纳米结构修饰的PDMS表面，牙周膜成纤维细胞的生长状况。其在治疗口腔疾病上扮演着重要的角色。但在常规的体外培养中成活率和细胞活性较低，提高其生物活性将有对口腔疾病的治疗有重要的意义。用噻唑蓝(MTT)细胞活性检验、细胞计数、丫啶橙/碘化丙啶(AO/PI)双染色法来表征细胞特性。纳米修饰PDMS与单纯的PDMS相比，从细胞的贴壁时间，以及生长状态，成活率等方面进行对比，均起到提高生物活性的目的。　　

第四章在纳米结构修饰PDMS的基础上，用简便方法制作出表面含有纳米结构的PDMS微流控芯片。以诺氟沙星位代表来验证纳米结构与药物小分子之间的吸附、富集作用。与未做任何修饰的PDMS芯片比较后，纳流控芯片内荧光信号有很大的增强，表面的纳米结构使PDMS的比表面积增大，为药物小分子的吸附提供了更多的位点。这种微/纳结合的微流控芯片将为药物的筛选提供一个简单、便捷的分析工具。　　

单纯的物理修饰没有改材料的化学性质，物理修饰后的PDMS对分析物没有特异性的选择，可采用与化学修饰相结合的方法对PDMS进行表面特异性的改性，使PDMS对分析分离的物质有选择性的吸附。同时可调节表面亲疏水性质，使PDMS对亲水性物质、疏水性物质、不同性质的蛋白质分子等都可以进行研究，为微流控和生物学领域的交叉发展搭建良好的平台。

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下载时间：2011年1月18日