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微流体技术

时间:2006-03-14 23:31来源:中国科技信息 作者:suntianpang 阅读:

    在生物、化学、材料等科学实验中,经常需要对流体进行操作,如样品DNA的制备、PCR反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。如果要将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上,则实验所用流体的量就从毫升、微升级降至纳升或皮升级,这时功能强大的微流体装置就显得必不可少了。因此随着生物芯片技术的发展,微流体技术作为生物芯片的一项关键支撑技术也得到了人们越来越多的关注。

    微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术,是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。

    与微电子技术不同,微流体技术不强调减小器件的尺寸,它着重于构建微流体通道系统来实现各种复杂的微流体操纵功能。与宏观流体系统类似,微流体系统所需的器件也包括泵、阀、混合器、过滤器、分离器等。尽管与微电子器件相比,微通道的尺寸显得相当大,但实际上这个尺寸对于流体而言已经是非常小。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别,因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件差别甚大。

    为了精确设计微流体系统中所需的器件,首先要确定微通道中流体的流动性质。现在人们利用共焦显微镜成像技术可以方便地对微通道中的流动过程进行量化,达到了以往无法实现的高分辨率。世界上第一个微流体器件由英国帝国理工大学(ImperialCollege)的曼齐(A. Manz)、美国橡树岭国家实验室的拉姆齐(M. Ramsey)等科学家在1990年代初研制成功。该器件是利用常规的平面加工工艺(光刻、腐蚀等)在硅、玻璃上制作的。尽管这种制作方法非常精密,但成本高,且不灵活,无法适应研发需求。怀特赛兹(G.M. Whitesides)等人又提出一种“软光刻”微加工方法,即在有机材料上印制、成型出微结构,从而能方便地加工原型器件和专用器件。另外这个方法还能构建出三维微通道结构,并能在更高层次上控制微流体通道表面的分子结构。

    近年来微流体技术(Microfluidics Technology)的快速发展,已经在化学、医药及生命科学等领域上造成革命性的冲击。

    而生物芯片更被视为是后基因时代(Post-Genome Era)用来解读基因序列之重要工具。微流体生物芯片目前受到极大的重视。微流体芯片,又被称为“芯片实验室”(Lab-on-a-chip)。它是利用微机电技术将一般实验室所使用的分离纯化混合,以及酵素反应等装置微小化到芯片上,以进行生化反应、过程控制或分析,其构造远较微数组芯片复杂得多,依其应用范围可再细分为:样品前处理芯片、反应型芯片及分析型芯片等三大类。可对微量流体(包括液体和气体)进行复杂、精确的操作,如:混合和分离微量流体、化学反应、微量分析等等。微流体芯片还可以在稀有细胞的筛选、信息核糖核酸的提取和纯化、基因测序、单细胞分析、蛋白质结晶等方面发挥独特的作用。因为其具有体积轻巧、使用样品/试剂量少、反应速度快、大量平行处理及可抛弃式等优点,因此在生物技术研究上的应用范围非常广泛。

    喷射技术是最成熟的微流体技术,它使用直径小于100微米的孔来产生微滴。这项技术可用于输运微反应中的微量试剂,以及将微量DNA样品分发到载体表面形成微阵列(参见DNA芯片制作中的化学喷射法、压电喷射原位合成法)。

(责任编辑:泉水)
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