電潤濕驅動技術

電潤濕驅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，進而改變液體在固體表面的潤濕性。 當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，實現液滴的生成、分裂、合并、移動，從而實現宏觀操作上的稀釋、量取、混合、分析等步驟。 該技術基于液滴的形式實現了液體的離散化、數字化操作，由此出現數字微流控的概念。

Ｐｏｌｌａｃｋ 等利用 ＥＷＯＤ 技術實現了無泵條件下納升級液滴的分散、混合、分裂和轉移操作。 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過疏水處理，其工作原理見圖 ５。 當只有左側電極通電時，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。 在后續的研究中，該研究組成功將此技術應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，該電潤濕系統包括加工了電極陣列的透明 ＩＴＯ 玻璃和發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，從而驅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域量取出來，完成試劑的分配、混合、反應等操作，最終將反應后的混合液滴移動到檢測區域進行吸光度檢測。 該工作成功利用電潤濕技術在芯片上實現了全血、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 等報道了一種能應用于磁珠免疫分析和實時熒光聚合酶鏈反應分析的數字微流控系統。 該系統包括一個通用試劑盒和一個控制系統。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，反應后液滴被驅動到磁鐵區域，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動到廢液池，接著清洗液被驅動到磁鐵區域，對固定的磁珠進行清洗后被驅動至廢液池，最后將化學發光底物驅動至磁珠位置反應 ２ｍｉｎ，然后驅動到檢測區，其化學發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的自動血液雌激素提取系統，系統原理見圖7。實驗中，樣品和試劑以液滴的形式儲存在芯片中，首先以液滴形式驅動細胞裂解液和血樣混合，完成細胞的破碎，裂解后的混合物和極性萃取劑甲醇液滴混合，然后驅動該液滴和非極性萃取劑異辛烷混合實現換相，最后驅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捕獲人體血漿蛋白的方法，原理見圖8。 該系統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的提取。 首先系統將蛋白質樣品加入到包含有偶聯了抗人血清白蛋白、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進一步移動到廢液區，最后驅動清洗液實現對捕獲蛋白質的洗脫。 由于采用了條形磁鐵和并行分析的策略，該系統在 １０ ｍｉｎ 內可同時處理 ４ 個樣品，且對免疫球蛋白和 ＨＳＡ 的提取效率可達 ９５％ 以上。

圖 8 用于血漿蛋白分離的電潤濕裝置原理圖

壓力驅動技術

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

Ｄｏ 等提出了一種熱氣動驅動的芯片，芯片結構見圖9。 整個芯片分為 ５ 層，第一層和第四層構成微流體通道，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 ，分解產生 Ｎ２ ，通過提供不同的加熱程序，例如通過控制電流強度和加熱時間，可以控制 Ｎ２ 的釋放，最終實現精確操縱微流體的功能。 生物傳感器陣列是整個芯片的關鍵組成部分，所有電化學反應都發生在傳感器表面，并進行測量，由檢測電路收集和處理數據。 該方法需精確控制氣體生成的速率來實現對氣動微閥的控制，同時需要與液體反應速度一致，否則容易產生溶液殘留的現象。

圖9 基于氣體驅動的微流控芯片示意圖

毛細作用驅動技術

毛細現象在自然界中普遍存在，是指浸潤液體在毛細管內升高的現象。 紙張具有中空親水網絡結構，可以引導液體流動，是基于毛細作用驅動的微流控芯片最常用的材料。 基于側向層析分析的試紙條技術是目前應用最為廣泛的紙基 ＰＯＣＴ 分析技術，常規的試紙條技術通常是基于酶聯免疫反應產生顏色變化以實現分析的目的。 試紙條技術最早可追溯至 １７ 世紀出現的酸堿試紙———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備層出不窮，其中最具代表性的當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一步發展。

圖10 基于序控液滴陣列系統的自動生化分析系統

基于毛細原理，在微流控領域中發展出了紙芯片技術，通過在紙基材料上處理、加工形成具有微通道和反應室的紙芯片可實現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、有機聚合物等材料，具有成本低廉、使用方便、易于集成、無需外設等優點。 紙芯片的產生在某種程度上彌補了試紙條技術的不足，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 等將芯片與手機等移動設備結合，實現了遠程實時診斷，并通過將多層平面紙芯片疊加后固定，制作成 ３Ｄ 紙芯片，用于多指標并行檢測。 Ｈｅｎｒｙ 等提出將電化學檢測法應用到紙芯片中，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被廣泛應用于相關研究中。

免責聲明：文章來源網絡  以傳播知識、有益學習和研究為宗旨。 轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除。