3D打印微流控芯片技术研究进展

近年来,微流控技术在生命科学和医学诊断等领域得到广泛的应用,显示出了其在检测速度、精度以及试剂损耗等方面相比传统方法的显著优势.然而,使用从半导体加工技术继承而来的微加工技术制作微流控芯片具有比较高的资金和技术门槛,在一定程度上阻碍了微流控技术的推广和应用.近年来随着3D打印技术的兴起,越来越多的研究者尝试使用3D打印技术加工微流控芯片.相比于传统的微加工技术,3D打印微流控芯片技术显示出了其设计加工快速、材料适应性广、成本低廉等优势.本文针对近年来国内外在3D打印微流控芯片领域的最新进展进行了综述,着重介绍了采用微立体光刻、熔融沉积成型以及喷墨打印等3D打印技术加工制作微流控芯片的方法,以及这些微流控芯片在分析化学、生命科学、医学诊断等领域的应用,并对3D打印微流控芯片技术未来的发展进行了展望.     

外加场分离技术与微流控技术联用在微纳尺度物质分离中的研究进展

微纳尺度物质的分离和分选在精准医学、材料科学和单细胞分析等研究中至关重要。精准、高效和快速的分离微纳尺度物质能够为癌症的早期诊断、生物样品检测和细胞筛选提供重要帮助,其中基于外加场分离技术的分离微纳尺度物质因可以对微纳尺度物质高效在线分离和分选,被广泛应用于微纳米颗粒、外泌体以及生物细胞的分离工作中,而目前多数外加场分离技术存在装备繁琐和样品消耗大等问题。微流控技术是一种通过制作微通道和微流控芯片操纵微小流体对微纳尺度样品组分进行分离的技术,因具有快速检测、高通量、在线分离、集成性高、成本低等优势现被应用于微纳尺度物质分离分析中,是一种微纳尺度物质分离的有效方法,通过在微流控芯片上设计不同的通道及外部配件提高主动场对微纳尺度物质分离效率。外加场分离技术与微流控技术联用可以实现微纳尺度物质的无损、高效、在线分离。该综述主要概述了近年来在微流控芯片上依托流动场、电场、磁场及声场等外加场分离技术来提高对微纳尺度物质分离效率的研究现状,并将各个外力场对单细胞、微颗粒等微纳尺度物质的分离进行分类介绍,总结各自的优缺点及发展应用,最后展望了外加场分离技术与微流控技术联用在应用于癌细胞的早期筛查、精确分离微尺度物质领域的未来发展前景,并提出联用技术的优势和未来应用等。     

微流控免疫芯片检测方法的研究进展

微流控免疫芯片以其微型化、高通量、快速检测及低消耗等优点成为近年来分析领域的研究热点. 检测技术是微流控芯片的重要组成部分之一. 本文重点综述了近年来微流控免疫芯片的微系统研究及相应的检测方法和技术, 包括电化学检测及荧光检测、紫外-可见吸收光谱检测、化学发光和生物发光检测、表面增强拉曼散射检测、光纤检测、表面等离子体共振谱检测、热透镜显微镜检测和比色检测等光学检测及其它新型检测方面的进展, 并展望了其发展前景.     

微流控芯片技术在蛋白质分析中的应用进展

近年来,微流控芯片技术取得了显著的发展。随着微电子及微机械等制作技术的不断进步,高通量、高效、快速、低成本的微流控分析芯片在蛋白质和多肽分析方面获得了令人瞩目的成果。本文主要介绍了微流控芯片在蛋白质组学分析研究的应用和发展。引用文献52篇。     

微流控技术在生命分析化学中的应用进展

微流控分析系统与宏观条件下的分析体系相比,具有样品和试剂消耗小、传质传热效率高、生物相容性较好、高通量并行分析、功能单元集成化、微型化及自动化控制等特点,在分析化学尤其是生命分析化学领域得到了广泛应用。本文以涉及细胞的微流控技术为切入点,主要介绍了近五年来微流控芯片相关技术的发展,如芯片材料与制作技术、表面改性技术和液滴技术等,并简单总结微流控技术在药物筛选和细胞分析等生命分析化学领域的研究应用进展。     

惯性效应在微流控芯片中的应用

作为一种操控粒子或流体的新技术,基于流体惯性的操控技术已被应用于微流控芯片中粒子的输运、分选、聚焦及试样的混合和反应等操作,而在微尺度惯性效应基础上的惯性微流控芯片由于具有高通量、无需外场介入、低成本、易集成及微型化等众多优点,可用于解决医疗诊断、生化分析、合成化学及环境监测等领域的检测分析和微量操控问题,因此对该技术的机理及应用研究已成为目前微流控技术领域一个重要的研究热点。本文在介绍惯性微流控芯片机理及其研究进展的同时,从惯性聚焦、惯性分选及基于Dean流的微混合器和微流控光学器件等几个方面对惯性微流控芯片的最新应用研究进展进行了较为详细的介绍和分析比较。在此基础上,分析了惯性微流控芯片的局限和未来需要解决的问题。     

微流控芯片分析及其在酶抑制剂筛选中的应用*

微流控芯片以其消耗少、易于微型化和集成化等优点在酶分析领域占有重要地位。近年来随着新检测技术的不断出现,酶抑制剂筛选芯片的结构也从简单的“混合-反应”和“分离-检测”,变得更加多样化和多功能化。微流控芯片上分子固定化酶、细胞培养等技术的进步为微流控芯片上实现酶抑制剂的高通量和高内涵筛选带来了巨大优势。本文对用于酶分析的微流控芯片的种类和构型进行简介和归纳总结,重点讨论和综述了其在酶抑制剂筛选中的应用及其最新研究进展。     

微流控液滴技术及其在生物医学分析中的应用进展

微流控芯片微滴技术作为一种基于微流控芯片的操控微小体积液体的新技术,以分散的微滴单元作为微反应器,它大大强化了微流控芯片的高灵敏度、低消耗、高通量和自动化等优点,受到日益广泛的重视,并在物理学、化学和生物学等领域中显示出巨大的应用潜力。文章叙述了微流控微滴领域的最新进展,对新的微滴生成技术及操控技术进行介绍,最后阐述了微滴技术在生物医学分析中的最新研究进展。     

磁场控制技术在微流控芯片中的应用*

磁场作为除了电场和力场之外的另一个有力的驱动和控制手段,由于不需与溶液接触即可实现对被分析物的操纵,极大降低污染的可能,近年来被越来越广泛地用于微流控芯片系统,尤其在细胞、病毒甚至单分子的捕获、分选以及操纵等方面显示出较大优势。本文综述了微流控芯片系统中磁场控制技术的最新进展,分别从理论分析,磁场加工技术、泵阀的实现,微流体控制和磁分离等方面介绍了该领域近几年的发展状况,并重点分析了微流控芯片磁场操控技术在临床分析和现场检测方面的应用,及其未来发展趋势和需解决的主要问题。     

微流控系统在生化分析领域的新应用

微流控芯片是近年来新兴的研究领域,它由微米级别的微通道及辅助器件构成,并且有着低试剂消耗量、响应时间短、高精度、高灵敏度、高集成度和独特的微观物理现象等特性。微流控芯片的独特优势为生物样品的处理与分析、生物模拟、药物传递和多组分分析等领域提供了前所未有的机会。为获得理想、完善的微流控平台,还需进一步挖掘微流控芯片的潜在应用。本文回顾了微流控芯片在生化分析领域中的新应用,分析了其优劣势与存在的挑战,并预测了微流控芯片未来可能的发展趋势,指出了微流控芯片"走出实验室"投入实际应用的可能。     

微流控分析芯片的两种液相传质模式及其应用*

微流控分析芯片的微米级结构不仅显著增大内部流体的比界面积,同时缩短微通道内不同溶液间的传质距离,使传质效率相比于宏观体系有显著提高,从而可实现试样分析检测前的高效扩散分离和萃取富集等。本文综述了微流控分析芯片中两种液相传质模式——互溶液相间扩散分离分析、不互溶液相间萃取分离分析的研究进展,讨论了上述传质模式在微芯片装置和功能的集成化方面的应用;并讨论了相关研究的难点和发展趋势。     

A microchip electrophoresis system with integrated in-plane electrodes for contactless conductivity detection

We present a new approach for contactless conductivity detection for microchip-based capillary electrophoresis (CE). The detector integrates easily with well-known microfabrication techniques for glass-based microfluidic devices. Platinum electrodes are structured in recesses in-plane with the microchannel network after glass etching, which allows precise positioning and batch fabrication of the electrodes. A thin glass wall of 10-15 microm separates the electrodes and the buffer electrolyte in the separation channel to achieve the electrical insulation necessary for contactless operation. The effective separation length is 34 mm, with a channel width of 50 microm and depth of 12 microm. Microchip CE devices with conductivity detection were characterized in terms of sensitivity and linearity of response, and were tested using samples containing up to three small cations. The limit of detection for K+ (18 microM) is good, though an order of magnitude higher than for comparable capillary-based systems and one recently reported example of contactless conductivity on chip. However, an integrated field-amplified stacking step could be employed prior to CE to preconcentrate the sample ions by a factor of four.     

微流控技术在外泌体分离分析中的研究进展

外泌体是一类由细胞分泌的含有脂质、蛋白、核酸等多种物质的纳米级囊泡,主要参与细胞间的物质交换及信息传导,与多种疾病的发生发展密切相关。对外泌体进行深入研究,理解其生物学功能,对疾病诊断与治疗具有重要意义。由于外泌体尺寸较小且密度和体液接近,想要对复杂生物样本中的外泌体进行分离与分析十分困难。传统的外泌体分离方法如超速离心、超滤等大都需要借助大型仪器设备,且耗时长、操作复杂。因此迫切需要开发高效、便捷的外泌体分离检测手段。微流控技术因其微型化、高通量、可集成等特点,为外泌体的分离分析提供了一个新的平台。该文主要对近年来微流控技术在外泌体分离分析相关领域的研究进展进行了综述。重点从外泌体物理特性和生化特性两个角度出发,介绍了微流控芯片技术用于外泌体分离领域的主要原理、策略和方法。此外,还介绍了微流控技术与荧光、电化学传感、表面等离子体共振等多模态检测方法结合,实现外泌体一体化分析的新进展。最后,该文分析了目前微流控技术用于外泌体分离检测存在的挑战,并对其发展趋势和前景进行了展望。随着微流控外泌体分离分析装置的不断微型化、集成化、自动化,微流控芯片技术将在外泌体分离、生化检测、机制研究等方面将发挥越来越重要的作用。     

Novel microfluidic device for the continuous separation of cancer cells using dielectrophoresis

We describe the design, microfabrication, and testing of a microfluidic device for the separation of cancer cells based on dielectrophoresis. Cancer cells, specifically green fluorescent protein‐labeled MDA‐MB‐231, are successfully separated from a heterogeneous mixture of the same and normal blood cells. MDA‐MB‐231 cancer cells are separated with an accuracy that enables precise detection and counting of circulating tumor cells present among normal blood cells. The separation is performed using a set of planar interdigitated transducer electrodes that are deposited on the surface of a glass wafer and slightly protrude into the separation microchannel at one side. The device includes two parts, namely, a glass wafer and polydimethylsiloxane element. The device is fabricated using standard microfabrication techniques. All experiments are conducted with low conductivity sucrose‐dextrose isotonic medium. The variation in response between MDA‐MB‐231 cancer cells and normal cells to a certain band of alternating‐current frequencies is used for continuous separation of cells. The fabrication of the microfluidic device, preparation of cells and medium, and flow conditions are detailed. The proposed microdevice can be used to detect and separate malignant cells from heterogeneous mixture of cells for the purpose of early screening for cancer.     

A capillary electrophoresis chip with hydrodynamic sample injection for measurements from a continuous sample flow

A microchip-based capillary electrophoresis device supported by a microfluidic network made of poly(dimethylsiloxane), used for measuring target analytes from a continuous sample flow, is presented. The microsystem was fabricated by means of replica molding in combination with standard microfabrication technologies, resulting in microfluidic components and an electrochemical detector. A new hydrodynamic sample injection procedure is introduced, and the maximum number of consecutive measurements that can be made with a poly(dimethylsiloxane) capillary electrophoresis chip with amperometric detection is investigated with respect to reproducibility. The device features a high degree of functional integration, so the benefits associated with miniaturized analysis systems apply to it.     

Polymeric microfluidic system for DNA analysis

The application of micro total analysis system (μTAS) has grown exponentially in the past decade. DNA analysis is one of the primary applications of μTAS technology. This review mainly focuses on the recent development of the polymeric microfluidic devices for DNA analysis. After a brief introduction of material characteristics of polymers, the various microfabrication methods are presented. The most recent developments and trends in the area of DNA analysis are then explored. We focus on the rapidly developing fields of cell sorting, cell lysis, DNA extraction and purification, polymerase chain reaction (PCR), DNA separation and detection. Lastly, commercially available polymer-based microdevices are included.     

单细胞分析的研究

单细胞分析是分析化学、生物学和医学之间渗透发展形成的跨学科前沿领域。近年来,毛细管电泳及微流控芯片用于单细胞分析已取得显著进展,特别表现在微流控芯片用于细胞的培养、分选、操纵、定位、分离及检测细胞的组分,实时监测细胞释放,及高通量阵列检测等方面。芯片的单元操作可根据需要灵活组合,显示出其独特的优点。本文重点介绍作者研究组的工作,并对近三年来国内外在毛细管电泳及芯片毛细管电泳用于单细胞分析的新进展进行评论。最后从毛细管电泳与微流控芯片、微流控芯片与细胞界面以及量子点用于探测活细胞等方面,展望了单细胞分析的发展前景。     

Multiplexed proteomic sample preconcentration device using surface-patterned ion-selective membrane

In this paper, we report a new method of fabricating a high-throughput protein preconcentrator in poly(dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic chip format. We print a submicron thick ion-selective membrane on the glass substrate by using standard patterning techniques. By simply plasma-bonding a PDMS microfluidic device on top of the printed glass substrate, we can integrate the ion-selective membrane into the device and rapidly prototype a PDMS preconcentrator without complicated microfabrication and cumbersome integration processes. The PDMS preconcentrator shows a concentration factor as high as approximately 10(4) in 5 min. This printing method even allows fabricating a parallel array of preconcentrators to increase the concentrated sample volume, which can facilitate an integration of our microfluidic preconcentrator chip as a signal enhancing tool to various detectors such as a mass spectrometer.     

微流控芯片在食品安全分析中的应用进展

微流控芯片技术可以实现从样品处理到检测的微型化、自动化、集成化及便携化,因而在食品安全检测方面展现出强大的发展活力。目前微流控芯片技术在农药残留、兽药残留、重金属、食品添加剂等食品安全检测方面已取得了一系列重要进展。该文着重介绍了微流控芯片技术在食品安全分析中的研究进展,并展望了其在食品安全分析中的应用前景。     

Monolithic integration of optical waveguides for absorbance detection in microfabricated electrophoresis devices.

The fabrication and performance of an electrophoretic separation chip with integrated optical waveguides for absorption detection is presented. The device was fabricated on a silicon substrate by standard microfabrication techniques with the use of two photolithographic mask steps. The waveguides on the device were connected to optical fibers, which enabled alignment free operation due to the absence of free-space optics. A 750 microm long U-shaped detection cell was used to facilitate longitudinal absorption detection. To minimize geometrically induced band broadening at the turn in the U-cell, tapering of the separation channel from a width of 120 down to 30 microm was employed. Electrical insulation was achieved by a 13 microm thermally grown silicon dioxide between the silicon substrate and the channels. The breakdown voltage during operation of the chip was measured to 10.6 kV. A separation of 3.2 microM rhodamine 110, 8 microM 2,7-dichlorofluorescein, 10 microM fluorescein and 18 microM 5-carboxyfluorescein was demonstrated on the device using the detection cell for absorption measurements at 488 nm.