微流控芯片技术研究概况及其应用进展

余明芬， 曾洪梅， 张 桦， 邱德文＊

（1．新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052；2．中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193）

微流控芯片（micr ofl uidics）又称微流控芯片实验室或芯片实验室（lab－on－a－chip，LOC），是指在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物实验室［1］。20世纪80年代末，Terry等在硅芯片上构建了一个气相层析装置对空气进行分析，首次出现了微全分析系统的应用［2］。20世纪90年代初，Manz等开展了芯片电泳的研究，以芯片毛细管电泳作为微流控技术的早期形式并最早提出微全分析系统的概念［3］。2004年美国Business 2．0杂志将芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”，2006年7月Nat ure杂志发表了一期有关“芯片实验室”的专辑，重点介绍了这一新技术［4］。当前微流控产品的市场年递增速率为15．5%，预计2014年的市场价值将超过30亿美元［5］。

微流控技术因其所需样品体积小、检测效率高、使用成本低且易于和其他技术设备集成，具有良好的兼容性、有望实现便携式检测装置等特点［6］，吸引了众多研究者的关注。微流控芯片制作涉及材料的选择、加工、封接、表面处理、集成、检测等关键步骤。目前微流控芯片主要应用于遗传和单细胞分析、蛋白质研究、细胞迁移、药物筛选、干细胞和神经细胞培养等［7－14］，这些应用大多集中在医学，在农业、食品方面的应用起步较晚且处于萌芽期［15］。本文从微流控芯片相关概念和技术出发，对该技术在医学、农业和食品方面的应用做一综述，简要分析微流控技术发展方向，并就其前景进行展望。

1 微流控芯片相关概念

与微流控技术相关的概念有微流控芯片、微阵列芯片、生物芯片、微全分析系统（micr o total analysis system，μ－TAS）等概念，这些概念包含的内容既有区别又有联系。

微流控通常被定义为在几微米至几百微米的通道内对小体积（10－9～10－18L）的液体样品进行处理或操作的一门系统科学和技术［16］。微流控也称为微流控芯片（microfluidics）或芯片实验室（lab－on－a－chip，LOC），是指在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物实验室。它把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等操作单元集成到一块芯片上，通过微通道形成网络，用可控流体贯穿整个系统，以实现常规化学或生物实验室的各种功能［1］。图1为不同用途的微流控芯片。

图1 不同用途的微流控芯片Fig．1 Microfluidics for different purposes

微阵列芯片是指一种将多个相同或基本相同的操作单元或单元群平行地集成在同一芯片上，其基本特征是高通量。如果操作单元或单元群之间有流体连通，这样的微阵列芯片往往就是集成的微流控芯片，如果操作单元或单元群之间没有流体连通，这样的芯片就不是微流控意义上的微阵列。生物芯片一般是指将已知的生物信息（如DNA核酸序列）固定在载体上，47通过样品中待分析物与基片上已知的生物信息进行特异性结合来进行检测的技术。它是一种不含微通道，没有液体流动，以生物分子间的静态杂交和高密度点阵为特征的芯片，也可称为杂交点阵芯片。虽然微流控芯片也能有静态杂交反应单元，但静态杂交反应并非微流控芯片所含操作单元的全部。微全分析系统（μ－TAS）是以样品分析为最终目标的一类微流控芯片的统称，该系统尺寸微小，可以将分析化学领域广泛采用的样品预处理、分离和检测等各种操作单元进行有效集成，是微流控芯片的一个类别［4］。

从概念上可知，微流控芯片技术的本质特征是要有液体将各个单元连通，通过对液体的操作、处理来达到不同的目的。虽然各概念之间存在差异，但在实际的研究和应用当中，各概念所涉及的技术往往是相互交叉的，例如生物芯片可单独使用也可作为微流控芯片的一种检测技术。

2 微流控芯片制作方法

微流控芯片制作涉及芯片材料的选择、加工、封接、表面处理以及与其他装置的集成等多个环节，在此就其主要技术进行简要介绍。

2．1 材料和制作方法

制作微流控芯片常用的材料是PDMS［21］，又称硅橡胶，具有较好的延展性、化学热稳定性及生物兼容性；对于生物和医学来说，PDMS具有高保真性、良好的光学透明度、固化温度低且无毒，因此细胞可以直接在上面进行培养；可用传统表面改性方法（UV或氧等离子体）进行表面修饰［22］。另外一些常用材料有硅片（化学湿蚀刻）、玻璃（化学蚀刻）和热塑性塑料（热压成型、注塑成型）［23］。

目前流行的加工方法有软光刻和激光烧蚀技术。相对传统光刻技术，软光刻更加灵活；在曲面基板上也能制造复杂的三维结构，这对微流控芯片来说非常重要；所需设备简单，无需特殊实验室，并可应用于多种材料（如PDMS、玻璃、陶瓷等）；最重要的是在大规模生产中成本较传统光刻法低［24］。另一种加工微流控芯片的方法是激光烧蚀，该方法利用UV或红外CO2激光器来烧蚀聚合物［25］。该方法对掩膜依赖小，制作出的芯片受热结构稳定，灵活性高，但该方法生产效率低，一次只能制作一个芯片且需要标准激光实验室，成本较高。

随着微通道尺寸的缩小，流体和固体表面的相互作用不容忽视。在微米或纳米通道内，表面张力和黏滞力占主导地位，同时毛细管力对几何界面特性也非常敏感。这些改变对微通道内液体的流动特征影响很大，通过表面改性可提高通道表面稳定性，减少目标物与通道表面的相互作用。表面改性方法有多种，依改性剂作用方式可分为静态改性和动态改性［24，26］。

2．2 检测方法

微流控芯片的检测方法主要有毛细管电泳（CGE）、杂交检测、免疫检测和电化学检测。

毛细管电泳是一个历史悠久且常用的检测方法，该方法已在芯片上进行了集中而广泛的研究。标准的毛细管电泳微流控装置可以被直接改造成PCR－CGE整合平台，即芯片PCR之后扩增产物直接注入CGE分离通道内进行检测［27］，以达到提高检测灵敏度和分析速率、减少试剂污染的目的。

基于微流控芯片的DNA杂交检测是基因组分析中应用广泛的检测技术。通常PCR之前要进行样品制备过程，紧接着将待扩增的基因序列与寡核苷酸探针（基因阵列）杂交，使待扩增基因序列固定在载体上。传统杂交方法相对较慢并且需要人工转移液体，也需要较多的试剂和较大的样品体积。将PCR片段与固定的DNA探针高度集中，通过提高杂交率可以解决上述不足［28］。在微流控芯片上将免疫测定与上游的PCR整合对人体体液中游离核酸检测具有很大的潜力，特别是在医学上对病原菌的快速检测［29］。

电化学检测由于其体积较小，与高压电源一起可制成便携式分析仪，加之有电化学响应的物质很多，所以在芯片中的应用前景广阔。目前，在集成式PCR微流控芯片中，大多数有关PCR之后的检测都是采用激光诱导荧光检测，此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。光学系统因其难以小型化到一个微流控芯片平台上，而且芯片上需要对光学和微流控装置进行仔细的调整，同时所需的尺寸限制了某些应用。近年来，半导体激光器和光电放大器体积的缩小、短波长二极管激光器的出现、发光二极管的发光强度不断增强等为荧光检测器的微型化提供了有利条件［28，30］。

3 微流控芯片在医学、农业、食品领域的应用

微流控芯片不仅是一门科学也是一门技术。理论上，微流控芯片技术可用于任何涉及流体的科学，其中最直接的应用是化学、生物学和医学，目前其应用涉及疾病诊断、药物筛选、法医鉴定、食品安全、环境监测等人类生活的方方面面。

3．1 医学

在医学方面，通过利用微流控芯片在速率和准确率方面的优点，可大大降低医学诊断和药物筛选成本。目前，研究者已将其运用在癌症的研究方面，以期为人类早日攻克癌症提供技术支持。Ziober等开发了用于空腔鳞状细胞癌（OSCC）筛查和诊断的芯片实验室，而且运用类似的方法也可以对其他癌症进行早期筛查［31］。Ziółkowska等制作了一种微流控芯片对肿瘤细胞进行长期的培养，并施以不同频率、不同浓度的抗癌药物后观察细胞的变化，以此来评价抗癌药物的活性。相对其他可行的分析方法来说，该方法不需要停止细胞培养就可以对肿瘤药物响应进行长期监测并对响应浓度进行定量测定。在类似体内的微流控环境下，微系统对以细胞为基础的研究来说是一个理想的方法［32］。

目前典型的研究工作是以现场即时检测（pointof－care，POC）为代表的微流控芯片诊断。Chin等开发了一种POC装置用于传染病的早期检测。该装置可忠实地复制酶联免疫吸附法的所有步骤，不仅可以用1μL未处理的全血进行HIV的诊断，也可以对HIV和梅毒进行同时诊断［33］。POC检测除了具有小型、便携、快捷、方便等优点外，其诊断范围也广泛，包括癌症和许多地方病，因而适用于发达国家的家庭和发展中国家的偏远贫困地区，有效推动全球健康水平的提高［19，34］。

3．2 农业

在农业生产中，造成农作物减产的一个重要原因就是各种病原菌导致的病害；在畜牧业，牲畜出现患病将导致严重的经济和安全后果。因此，无论是种植业还是畜牧业，对相关病原体进行跟踪，可以进行疾病的早期干预，有效预防病害发生。微流控芯片技术具有较低检测阈值，可以在患病初期未显症之前进行诊断，为防治节省时间，也可作为疾病预测的新技术。

3．1．4 作物

微流控技术已用于农作物病原物检测、作物与病原物互作研究、代谢组学及细胞工程研究等方面。

在作物病原物检测方面，Wang等使用了一种微流控微阵列对植物中由真菌、细菌和病毒引起的病症进行快速识别，该装置可在室温条件下仅用1 f mol的DNA样品在10 min内获得检测结果，同时可成功区分仅有一个碱基对差异的约260 bp大小的PCR产物［35］。Peng等开发了一种形似CD的微流控芯片装置用于快速识别玉米中的病原体［36］。Huang等报道了一种PCR－CGE微流控装置，进行了DNA病毒和RNA病毒检测［37］。作者实验室也开展了相关研究，欲将微流控芯片技术用于烟草、水稻、番茄等作物的病毒检测和预测预报方面，以提高作物管理水平。

在作物、病原物互作研究方面，Meng等在微流控装置通道内的腔室内模拟植物的维管束组织，用受控的Xylell a f astidiosa细菌去侵染微流控小室，以此来研究该细菌在植物维管束组织中的侵染、移植过程［38］。在研究菌毛在该细菌侵染和移植作物维管束中的作用时，传统的方法例如平板流动腔室、原子显微镜和激光镊子在获得测量数据方面具有一定难度。Fuente等设计和制作了一种微流控芯片小室来评估从玻璃板上分离细菌细胞所必需的作用力，以此辨别两种菌毛的类型、了解菌毛和玻璃的黏附力。此外，微流控芯片小室很容易和显微镜进行整合，是与模拟植物的纳米或微米结构相组装的有效系统［39］。

在作物代谢组学研究方面，Fouad等利用微流控芯片毛细管电泳（CE）方法从拟南芥种子中对硫代葡萄糖苷进行了定量测定，采用荧光检测方法进行检测［40］。在植物根部的生长发育和生理学研究中，对受控环境条件下的细胞和亚细胞进行分析存在限制。Guido等人设计了一种微流控芯片平台，将其命名为Root Chip（图2），它将拟南芥根部活细胞生长和新陈代谢的成像技术与快速的环境调控技术进行集成［41］。该装置可对来源于多种幼苗的多种根部微环境同时进行个性化调节，并可以对植物体亚细胞尺度下随时间的生长情况和溶质内的含糖水平进行监测，监测结果通过葡萄糖和半乳糖的遗传编码的荧光传感器进行测定。通过改变小室的几何形状，Root Chip也可以用于其他植物物种，并促进不同种子的根部生长和新陈代谢的系统分析，为根部的新陈代谢和信号传导研究奠定基础［41］。

在植物细胞工程研究方面，Zhang等利用微流控方法在室温条件下通过控制粒子大小分布和内部结构，利用生物多聚物制作出了生物水凝胶微胶囊。该胶囊可用于封装杀虫剂或肥料并控制其释放［42］。Ko等设计了一种微流控通道用于培养烟草的原生质体，进行植物细胞工程和细胞分析［43］。另外，微流控技术可用来进行作物缺陷识别，例如小麦作物的缺硫和害虫识别［36］。

3．1．2 畜牧业

微流控芯片装置因其小型化、集成性和自动化也已成为解决畜牧业问题的一种新方法。

早在2006年微流控技术就已经应用于动物生产系统中乳腺炎的检测。Rodriguez等设计了一种楔形结构的微流控芯片滑动组件用于牛奶中的病原菌检测和白细胞计数。将牛奶样品与染料混合使白细胞染色，通过毛细作用使这些体细胞均匀分布在芯片上，通过荧光显微镜来识别染色的白细胞［44］。Lee等开发了一种生物芯片，该芯片可以对7种已知引起乳腺炎的病原菌的基因进行DNA扩增［45］。Di mov等也开发了一种类似的微流控装置，该装置结合了固相提取和基于核酸序列的扩增（NASBA），他们用该装置识别了低数量的大肠杆菌。通过将微流控与生物芯片相整合，可以有效提高检测率、灵敏度和特异性，并有望在一个平台上实现多个目标，以实现对乳腺炎检测和治疗［46］。

图2 Root Chip芯片［41］Fig．2 The Root Chip［41］

Bach man等设计了一种基于微流控的健康检测装置，该装置以唾液为样品来进行疾病检测、孕检、荷尔蒙检测、牲畜中毒和脓毒性咽喉炎检测和医学诊断并及时准确地输送药物［47］。微流控技术也可以用于动物中的体外受精。Wheeler等先后开发了一种微流控系统，它通过控制通道内的液体和气体的流速使精子和卵子相遇达到结合的目的［48－49］。该方法可以解决动物在受精方面的问题，提高受精率，可用于珍稀或濒危动物的保护当中。

微流控芯片技术中将微电机械系统（MEMS）和生物系统相整合，形成生物微电机械系统（BIOMEMS），它包括封闭的通道、液源、储液池和电极，该系统可将药物输送到动物体的特定部位［50］，也能进行DNA和细胞分析。智能疾病治疗传递系统将药物分子包装然后运送到动物体的特定部位［51－52］，这将有助于降低畜牧业的用药成本并有效管理牲畜的健康。

3．3 食品

当前，食品安全和食品加工不仅关系到人们的日常生活，更关系到社会的稳定与发展。面临种类繁多的安全问题，做到快速识别与检测，促进食品安全与加工对相关技术提出了更高的要求。微流控芯片正好满足了这一技术需求。

在食品安全方面，对食源性病原菌进行检测通常需要先在琼脂糖平板上培养细菌，需耗费大量时间。微流控芯片可以经济、有效、实时地对食物和水中的残留物、痕量化学物质、抗生素、病原体和毒素进行检测，可在数分钟内对食物中的相关指标进行定量检测，其检测范围涵盖田间到餐桌的全过程，包括对食品运输、加工、零售和售后等环节进行全面的定量分析。Varshney等开发了一种微流控芯片流动池来检测牛肉样品中的病原菌，该装置上面嵌入了带有磁纳米粒子抗体结合物的黄金叉指阵列（IDA M）微电极。该装置可在35 min之内在牛肉样品上检测到低至1．2×103个大肠杆菌O157：H7细胞［53］。目前检测肉毒杆菌神经毒素（Bo NT）的方法是通过老鼠进行生物测定，这种方法灵敏度高，但耗时、昂贵、低通量，并需要大量动物。Frisk等开发了一个高灵敏度的微流控平台，具有在溶液中重复、实时、可靠地进行肉毒毒素检测，其最新一代可在缓冲液中检测到最低3 pg／mL浓度的毒素［54－55］。Li等使用带荧光的RT－PCR微流控芯片对两种食源性致病菌进行了同时检测，其样品可在1 h之内被成功转录并扩增，其RNA浓度的检测限为6．4×104拷贝／μL［56］，可作为食品中 RNA病毒快速检测的一个理想平台。

在食品加工产业，微流控芯片技术可以通过影响食物的微结构来产生新的产品和加工工艺，使终产品具有新的流变性和功能性。乳剂和泡沫是许多食品中常见的分散体［57］，如水包油型（如沙拉酱、蛋黄酱）和油包水型（如奶油、人造奶油）。在工业生产中大部分乳剂和泡沫是通过物理手段（混合器或均化器）将能量引入两相中，使两相进行混合。通过这些手段，每单位体积引入的能量非常有限［58］。微流控芯片可以有效解决液体－液体、液体－固体之间的混合问题，并在液滴中进行化学物质分配，控制泡沫和乳状液的大小和分布［59－61］。Okushi ma等使用两个T型通道制备出水－油－水双层乳状液。在上游的第一个通道的内表面是疏水的，水通过时在第一个T型处水被油包入内部形成第一层；下游的管道是亲水的，有机相液滴流入后被水包被形成第二层［62］。通过改变装置中液体的流速和通道内的亲水特性，可以形成大小不同的液滴；通过增加通道数量，可以制备出不同层数的液滴［63］。

图3 微流控设备上液滴形成的通道网络［62］Fig．3 Dr oplet for mation in microchannel net wor ks of a micr ofluidic device［62］

4 结论与展望

当前，从田间种植到市场销售直至餐桌，以农田管理为源头，在各个环节提供安全农产品，避免有害微生物、毒素、有害化学物质的污染仍然面临巨大挑战。就分析技术而言，当前的分析技术存在体积大、通量低、耗时长等不足，如果在农业生产到餐桌的诸多环节中进行大量检测将耗费巨大人力、物力、财力。微流控芯片技术已被证明是一种重要的可用技术，具有重要的科研和经济价值。医学上可以进行疾病诊断、药物筛选，加快医学研究的步伐；农业上，可以对农作物进行病害、营养缺陷进行监测和检测，在病害未显症之前可以进行病害筛查，提前预防，减少病害发生和扩散，降低损失；畜牧上可以进行药物输送，提高治疗效果，降低生产成本；面对食品中多样复杂的污染源，微流控技术可以充分发挥其快速、准确的优势，为食品安全提供技术支持。

现代科学技术发展的特征之一就是微型化和集成化。微流控芯片技术一开始就是以交叉学科的身份出现，因此决定了它可以与多种技术进行集成，发挥不同技术的优势以应对越来越多、越来越复杂的应用需求。有研究者构想将微流控芯片技术与纳米技术结合，发挥两者各自的特长，使其在农业、环境、食品、医学、航天等方面发挥更为重要的作用。

目前微流控芯片多处于研究阶段，其产品较少。同时在实际生产生活中对微流控芯片的使用率较低、缺乏统一标准等阻碍了微流控芯片市场的发展。将微流控芯片技术渗透到农业和食品行业需要工业制造方面的技术，解决在统一标准方面的漏洞；需要提高现有微流控的技术要求，改变其复杂性和价格昂贵性，使之成为一种功能性系统。虽然微流控技术在农业、食品领域的应用研究起步较晚，但其为提高农业和食品安全提供了新的途径，我们有理由相信它将大有可为。

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