電潤濕驅(qū)動技術(shù)

電潤濕驅(qū)動的原理是在芯片表面加工電極陣列，電極上涂覆絕緣層，將樣品溶液滴加在絕緣層表面，通過在電極兩端施加電壓從而改變固液之間的表面張力，進(jìn)而改變液體在固體表面的潤濕性。 當(dāng)電極上所施加的電壓對液滴造成的不平衡力超過液滴慣性或所受阻力時，液滴會按照電壓施加的順序在各電極表面移動，從而達(dá)到對液滴操控的目的，最終通過對液滴移動的不同組合，實現(xiàn)液滴的生成、分裂、合并、移動，從而實現(xiàn)宏觀操作上的稀釋、量取、混合、分析等步驟。 該技術(shù)基于液滴的形式實現(xiàn)了液體的離散化、數(shù)字化操作，由此出現(xiàn)數(shù)字微流控的概念。

Ｐｏｌｌａｃｋ 等利用 ＥＷＯＤ 技術(shù)實現(xiàn)了無泵條件下納升級液滴的分散、混合、分裂和轉(zhuǎn)移操作。 該芯片由兩層材料組成，上層為氧化銦錫涂層玻璃，下層為集成了電極的芯片。上層芯片下表面和下層電極上表面都經(jīng)過疏水處理，其工作原理見圖 ５。 當(dāng)只有左側(cè)電極通電時，液滴停留在左邊（見圖 ５ａ）。 然后中間的電極通電，液滴逐漸從左邊移動到中間電極上（見圖 ５ｂ）。 隨后右邊的電極通電，待液滴持續(xù)移動至右邊電極后，中間的電極斷電，液滴被分裂成兩個液滴，分別停留在通電的左右兩個電極上（見圖 ５ｃ 和圖 ５ｄ）。 最后對中間的電極通電，同時對右邊的電極斷電，右邊的液滴從右邊的電極轉(zhuǎn)移至中間的電極上，最終與左邊的電極融合在一起，合并成同一個液滴（見圖５ｅ 和圖５ｆ）。液滴的平均轉(zhuǎn)移速度是10cm/s。 該方法具有高度集成性，同時操作簡單靈活，已成為微流控分析中最靈活的流體操控方式之一。 在后續(xù)的研究中，該研究組成功將此技術(shù)應(yīng)用于人胰島素免疫分析中。

圖 ５ 電潤濕滴液的合并分裂過程

Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ 等報道了一種可以檢測血清中葡萄糖的電潤濕液滴分析平臺。 如圖 ６ 所示，該電潤濕系統(tǒng)包括加工了電極陣列的透明 ＩＴＯ 玻璃和發(fā)光二極管光源及光電二極管檢測器。 ＩＴＯ 玻璃表面由特氟龍薄層覆蓋做疏水化和絕緣處理。 樣品與試劑提前存放在芯片的儲液區(qū)域中，通過不同電極順序施加電壓而改變電極表面的浸潤狀態(tài)，從而驅(qū)動液滴從疏水電極表面向親水電極表面移動，樣品與試劑以液滴的形式自動從儲液區(qū)域量取出來，完成試劑的分配、混合、反應(yīng)等操作，最終將反應(yīng)后的混合液滴移動到檢測區(qū)域進(jìn)行吸光度檢測。 該工作成功利用電潤濕技術(shù)在芯片上實現(xiàn)了全血、血清、尿液等不同類型樣品中葡萄糖的檢測。

圖 ６ 集成了吸光度檢測裝置的電潤濕芯片示意圖

Ｓｉｓｔａ 等報道了一種能應(yīng)用于磁珠免疫分析和實時熒光聚合酶鏈反應(yīng)分析的數(shù)字微流控系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括一個通用試劑盒和一個控制系統(tǒng)。磁珠免疫分析原理如下：磁珠懸液先與一抗溶液混合形成混合物液滴，然后再依次與全血樣品、二抗溶液混合反應(yīng)，反應(yīng)后液滴被驅(qū)動到磁鐵區(qū)域，磁珠通過磁場從混合物液滴中被分離出來，混合物液滴除磁珠外的溶液被驅(qū)動到廢液池，接著清洗液被驅(qū)動到磁鐵區(qū)域，對固定的磁珠進(jìn)行清洗后被驅(qū)動至廢液池，最后將化學(xué)發(fā)光底物驅(qū)動至磁珠位置反應(yīng) ２ｍｉｎ，然后驅(qū)動到檢測區(qū)，其化學(xué)發(fā)光信號由光電倍增管檢測。

Ｍｏｕｓａ 等報道了一種基于微流控電潤濕技術(shù)的自動血液雌激素提取系統(tǒng)，系統(tǒng)原理見圖7。實驗中，樣品和試劑以液滴的形式儲存在芯片中，首先以液滴形式驅(qū)動細(xì)胞裂解液和血樣混合，完成細(xì)胞的破碎，裂解后的混合物和極性萃取劑甲醇液滴混合，然后驅(qū)動該液滴和非極性萃取劑異辛烷混合實現(xiàn)換相，最后驅(qū)動異辛烷萃取液至樣品收集池中完成雌激素雌二醇的提取。

圖 7 數(shù)字微流控雌激素提取芯片原理示意圖

Ｍｅｉ 等報道了一種利用電潤濕技術(shù)捕獲人體血漿蛋白的方法，原理見圖8。 該系統(tǒng)通過簡單的液滴混合和磁珠分離在電潤濕芯片上完成了自動化蛋白質(zhì)的提取。 首先系統(tǒng)將蛋白質(zhì)樣品加入到包含有偶聯(lián)了抗人血清白蛋白、鏈球菌 Ｇ 蛋白和金黃色葡萄球菌 Ａ 蛋白的磁珠中并進(jìn)行混合，隨后混合溶液通過底部固定了條形三棱柱磁鐵的電極區(qū)域，將液滴中的磁珠捕獲在電極表面，溶液則通過電潤濕技術(shù)進(jìn)一步移動到廢液區(qū)，最后驅(qū)動清洗液實現(xiàn)對捕獲蛋白質(zhì)的洗脫。 由于采用了條形磁鐵和并行分析的策略，該系統(tǒng)在 １０ ｍｉｎ 內(nèi)可同時處理 ４ 個樣品，且對免疫球蛋白和 ＨＳＡ 的提取效率可達(dá) ９５％ 以上。

圖 8 用于血漿蛋白分離的電潤濕裝置原理圖

壓力驅(qū)動技術(shù)

壓力驅(qū)動是通過在通道出入口間施加壓力差來驅(qū)動和控制流體的方法，是微流控分析中應(yīng)用最為廣泛的流體驅(qū)動方式，其壓力源可以是常規(guī)的注射泵、真空泵，也可以是壓電晶體泵、氣動微泵、電解泵、化學(xué)分解泵等集成式微泵。 集成式微泵流速穩(wěn)定性和流量準(zhǔn)確性較低，難以精確量取液體體積，所以通常需要在芯片生產(chǎn)階段預(yù)先將液體試劑定量儲存于芯片上，在分析過程中只需驅(qū)動其進(jìn)入特定腔室實現(xiàn)反應(yīng)即可。

Ｄｏ 等提出了一種熱氣動驅(qū)動的芯片，芯片結(jié)構(gòu)見圖9。 整個芯片分為 ５ 層，第一層和第四層構(gòu)成微流體通道，第二層芯片為生物傳感器，并與第三層和第五層形成儲液池。 試劑先封裝在儲液池中，加 熱 偶 氮 二 異 丁 腈 ，分解產(chǎn)生 Ｎ２ ，通過提供不同的加熱程序，例如通過控制電流強(qiáng)度和加熱時間，可以控制 Ｎ２ 的釋放，最終實現(xiàn)精確操縱微流體的功能。 生物傳感器陣列是整個芯片的關(guān)鍵組成部分，所有電化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在傳感器表面，并進(jìn)行測量，由檢測電路收集和處理數(shù)據(jù)。 該方法需精確控制氣體生成的速率來實現(xiàn)對氣動微閥的控制，同時需要與液體反應(yīng)速度一致，否則容易產(chǎn)生溶液殘留的現(xiàn)象。

圖9 基于氣體驅(qū)動的微流控芯片示意圖

毛細(xì)作用驅(qū)動技術(shù)

毛細(xì)現(xiàn)象在自然界中普遍存在，是指浸潤液體在毛細(xì)管內(nèi)升高的現(xiàn)象。 紙張具有中空親水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以引導(dǎo)液體流動，是基于毛細(xì)作用驅(qū)動的微流控芯片最常用的材料。 基于側(cè)向?qū)游龇治龅脑嚰垪l技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的紙基 ＰＯＣＴ 分析技術(shù)，常規(guī)的試紙條技術(shù)通常是基于酶聯(lián)免疫反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化以實現(xiàn)分析的目的。 試紙條技術(shù)最早可追溯至 １７ 世紀(jì)出現(xiàn)的酸堿試紙———石蕊試紙。 １９４９ 年，Ｍüｌｌｅｒ 和 Ｃｌｅｇｇ用石蠟浸漬紙片形成通道，制成了基于紙基的薄層色譜，此后以紙為載體的分析設(shè)備層出不窮，其中最具代表性的當(dāng)屬驗孕棒和糖尿分析試紙。 此類試紙因其操作簡單、價格低廉、分析過程快速便捷而廣受認(rèn)可。 但是，靈敏度低、難以定量、不適用于多步驟分析的缺點限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

圖10 基于序控液滴陣列系統(tǒng)的自動生化分析系統(tǒng)

基于毛細(xì)原理，在微流控領(lǐng)域中發(fā)展出了紙芯片技術(shù)，通過在紙基材料上處理、加工形成具有微通道和反應(yīng)室的紙芯片可實現(xiàn)類似于微通道芯片的功能。 紙芯片基材來源豐富，可降解，可以代替硅、玻璃、有機(jī)聚合物等材料，具有成本低廉、使用方便、易于集成、無需外設(shè)等優(yōu)點。 紙芯片的產(chǎn)生在某種程度上彌補了試紙條技術(shù)的不足，使低成本、低耗樣、便捷化定量分析成為可能。 ２００７ 年，Ｗｈｉ?ｔｅｓｉｄｅｓ 研究組用光刻法制作紙芯片通道。 ２００８年，Ｍａｒｔｉｎｅｚ 等將芯片與手機(jī)等移動設(shè)備結(jié)合，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實時診斷，并通過將多層平面紙芯片疊加后固定，制作成 ３Ｄ 紙芯片，用于多指標(biāo)并行檢測。 Ｈｅｎｒｙ 等提出將電化學(xué)檢測法應(yīng)用到紙芯片中，相對于之前常用的比色法，提高了檢測靈敏度。 隨后，Ｌｕ 等和 Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ 研究組相繼報道使用石蠟制作紙芯片通道，目前石蠟打印法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于相關(guān)研究中。

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