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塑造未來的微流控芯片技術(shù)

嘉峪檢測網(wǎng)        2021-10-20 22:36

近年來,微流控學(xué)這個(gè)術(shù)語頻繁地出現(xiàn)在論文和學(xué)科雜志上,再加上體外診斷產(chǎn)品正在向小型化,自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展,作為POCT化的有力工具,微流控學(xué)正在引起人們的關(guān)注。

 

-什么是微流控學(xué)-

 

微流控學(xué)是指精確控制和操作流體,在幾何上受限于小范圍(通常為亞毫米級(jí))的尺寸,毛細(xì)管滲透在該范圍內(nèi)控制質(zhì)量傳輸。它是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域,涉及工程、物理、化學(xué)、生物化學(xué)、納米技術(shù)和生物技術(shù)。它在處理少量流體以實(shí)現(xiàn)多路傳輸,自動(dòng)化和高通量篩選的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有實(shí)際應(yīng)用。

 

微流體技術(shù)的特有優(yōu)勢是儀器尺寸小,分析速度快,反應(yīng)時(shí)間短,能耗低,可進(jìn)行多次分析的并行操作,以便作為便攜式設(shè)備,并能夠有效減少樣品和試劑的使用量等。

 

-微流控芯片的材料-

 

多年來,玻璃,硅和聚合物已被用于制造微流控裝置。每一種材料在作為微流控芯片的應(yīng)用中都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。下面,我們將簡要描述微流體技術(shù)中最常用的材料。

 

聚二甲基硅氧烷,又稱PDMS-實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用PDMS進(jìn)行單芯片原型設(shè)計(jì)。PDMS是一種透明且柔軟的彈性物體,由于通過鑄造來制造PDMS芯片非常容易且便宜,從而被廣泛使用。此外,由PDMS制成的芯片利用了震動(dòng)微閥易于集成來實(shí)現(xiàn)快速流量切換以及空氣滲透性,用于細(xì)胞培養(yǎng)和研究。PDMS廣泛用于芯片原型設(shè)計(jì),但是也同時(shí)暴露了它在工業(yè)生產(chǎn)的局限性。由于這種材料容易老化,而且PDMS吸收疏水分子,所以很難將電極集成到PDMS芯片中。另外,PDMS也不兼容高通量芯片制造工藝,如熱壓凸或注塑成型。

 

熱塑性聚合物,又稱PMMA PS-研究人員廣泛使用熱塑性聚合物來制造微流控芯片。即使熱塑性塑料比PDMS更復(fù)雜,成本更高,但熱塑性塑料是制造芯片的理想選擇,因?yàn)樗鼈兺该?,與微米級(jí)光刻兼容,并且比PDMS更具化學(xué)惰性。對(duì)于某些應(yīng)用,研究團(tuán)隊(duì)通過熱塑性芯片獲得了非常好的結(jié)果,而且由于可以將微電極集成到其中,熱塑性材料可以很好地用于某些芯片實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)化。

 

玻璃-可與微米級(jí)機(jī)械加工兼容,具有化學(xué)惰性,并具有廣泛的化學(xué)表面處理和可復(fù)制的電極集成度, 玻璃 是微流控芯片工業(yè)化的最佳選擇。從研究的角度來看,玻璃芯片的制造需要潔凈室和對(duì)微細(xì)加工有深入了解的研究人員。因此,并非所有研究實(shí)驗(yàn)室都可以使用玻璃芯片。

 

硅-第一個(gè)芯片是由硅制成的,微技術(shù)是基于硅芯片的微加工。如今,硅并不是用于制造芯片的第一選擇,這主要是因?yàn)楣鑳r(jià)格昂貴,不具有光學(xué)透明性,并且需要潔凈的工作環(huán)境以及對(duì)微加工有較強(qiáng)專業(yè)認(rèn)知的工作人員。此外,硅的導(dǎo)電性使得它不能用于需要高電壓(如電泳)的芯片實(shí)驗(yàn)室操作。盡管如此,硅仍然是芯片產(chǎn)業(yè)化的備選材料,因?yàn)閷?duì)于一些要求高的芯片應(yīng)用的工業(yè)化,它仍然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

 

紙-紙基微流控芯片設(shè)備  對(duì)于要求超低成本的應(yīng)用而言,紙基微流控是非常好的選擇,這為體外診斷領(lǐng)域提供了一個(gè)低成本,便攜化的平臺(tái),使低收入和資源有限的人群可以使用它。另外它還具有生物兼容性好,檢測背景低,后處理簡單的優(yōu)點(diǎn)。但是由于紙的特性造成的樣品利用率低,滲漏風(fēng)險(xiǎn)也是不容忽視。

 

那么這種人人推崇的微流控芯片優(yōu)勢在哪里?

 

低成本

 

微流體技術(shù)降低分析成本。允許集成在同一芯片上進(jìn)行大量測試,從而把每個(gè)單獨(dú)分析的成本降低到可以忽略不計(jì)的價(jià)格。

 

高度并行化

 

由于其集成微通道的能力,芯片技術(shù)允許在同一芯片上同時(shí)進(jìn)行數(shù)十或數(shù)百次分析。這允許醫(yī)生在會(huì)診期間針對(duì)特定的疾病,快速有效地制定最適合的治療方案。

 

易用性和緊湊性

 

芯片允許在小體積內(nèi)集成大量操作。只需要一塊僅有幾厘米的芯片,就可以進(jìn)行類似于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的檢測。使用芯片進(jìn)行診斷可以減少預(yù)處理和其他復(fù)雜的人為操作,而且在大多數(shù)情況下,它們可以由護(hù)士在現(xiàn)場進(jìn)行診斷。

 

減少人為錯(cuò)誤

 

由于它大大減少人為操作,使用芯片進(jìn)行的自動(dòng)診斷與在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的分析過程相比,將大大降低人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

 

更快的響應(yīng)時(shí)間

 

在微觀尺寸下,化學(xué)物質(zhì)的擴(kuò)散、流動(dòng)和熱量的擴(kuò)散更快。可以在幾百毫秒內(nèi)改變溫度,也可以在更短的時(shí)間內(nèi)使化學(xué)物質(zhì)充分混合。

 

低容量樣本

 

由于芯片系統(tǒng)每次分析僅需要少量樣本,因此這項(xiàng)技術(shù)通過減少昂貴化學(xué)品的使用來降低分析成本。另外,它無需從患者那里抽取大量樣本而達(dá)到診斷目的。

 

實(shí)時(shí)過程控制和監(jiān)控,提高靈敏度

 

由于在微體積內(nèi)的快速反應(yīng),人們可以在芯片上實(shí)時(shí)控制化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境,從而獲得更可控的結(jié)果。

 

應(yīng)用廣

 

由于微流控芯片儀器價(jià)格低,自動(dòng)化程度高,能耗低,因此也可以在室外環(huán)境中用于空氣和水的監(jiān)測,而無需人工干預(yù)。此外,芯片將降低診斷成本、醫(yī)務(wù)人員培訓(xùn)和基礎(chǔ)設(shè)施成本。因此,芯片技術(shù)使發(fā)展中國家以合理的成本更容易獲得現(xiàn)代醫(yī)學(xué)。

 

在不久的將來,利用微流控芯片的體外診斷產(chǎn)品將具有在短期內(nèi)對(duì)患者進(jìn)行完整診斷的能力,從而改變我們的疾病診療方式。診斷可由非專業(yè)人員完成,從而使醫(yī)生更專注于提供治療方案。實(shí)時(shí)診斷也將增加急診患者的生存機(jī)會(huì)。在發(fā)展中國家和非發(fā)達(dá)地區(qū)以低成本和簡易環(huán)境下進(jìn)行診斷,做到疾病的早發(fā)現(xiàn)早治療。

 

雖然微流控芯片近十年來被稱為造福人類的技術(shù),但是芯片技術(shù)以及對(duì)其的產(chǎn)業(yè)化仍然存在壁壘。關(guān)于芯片技術(shù)的研究主要集中在以下三個(gè)方面:

 

1、芯片技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,使其為商業(yè)化做好準(zhǔn)備。這包括制造工藝的調(diào)整、特定表面處理、流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

 

2、集成在同一芯片上的檢測指標(biāo)的增加以及并行檢測的增加來實(shí)現(xiàn)單芯片多目標(biāo)檢測。

 

3、提高芯片的易用性。比如使用智能手機(jī)進(jìn)行膽固醇檢測、貧血診斷、心血管疾病監(jiān)測或酶聯(lián)免疫吸附分析來實(shí)現(xiàn)芯片的基本功能。

 

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來源:ITL創(chuàng)新器械開發(fā)

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