微流控芯片建模分析技术与应用.docx

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1、微流控芯片建模分析技术与应用目录1.序言1?BIOFOUNT耗材（微流控芯片制造商）2?什么是微流控及时？2?为什么微流控芯片对我们很重要？2?微流体与微流控有何不同？3?微流体系统和微流控芯片的应用3?生物技术3?制药工程4?化学工程4?体外诊断55 .微流控芯片技术研究55.1. 微流控芯片的分类55.2. 微流控芯片的制作65.3. 3.微流控芯片的检测分析66 .微流控芯片的应用76.1. 在生物化学分析中的应用76.2. 在体外诊断中的应用76.3.在病原微生物检测中的应用86.4.在药物筛选中的作用86.5.在仿生研究中的应用97.结语91.序言微流控芯片是科学和工程领域最酷的技术

2、之一。它在生物、化学工程和医学检测领域的一些最前沿技术发展中发挥着重要作用。微流控芯片，以微米级空间精确操控流体为特色，被誉为“芯片实验室”。凭借微通道和微结构，它实现了样品的快速、高效、自动化处理和分析。因其微型化、集成化、高通量和高灵敏度的特点，微流控芯片在生命科学、临床医学、环境科学和食品检测等领域有着广泛应用。目前，基于微流控芯片的技术研究正在深入多个领域：（一）肿瘤标志物检测：基于微流控芯片的技术，可实现多种肿瘤标志物的快速、高通量检测，助力癌症的早期诊断和预后评估。（二）感染性疾病检测：该技术可同时、快速、准确地检测多种病原体，如新冠病毒等。（三）器官芯片研究：模拟人体器官功能和结

3、构的微流控芯片，有助于研究疾病机制、药物筛选和毒理学。（四）细胞分析技术：通过微流控芯片，细胞的分离、培养和分析都得以自动化，提高了细胞分析的效率和准确性。（五）合成生物学研究：利用微流控芯片，合成生物学在基因编辑、代谢工程和蛋白质工程等方面的研究得以自动化和微型化。适合人员：生物学、生物医学工程、化学、肿瘤学、临床医学、基础医学、药学、环境科学与资源利用等相关领域的科研工作者、临床医生、教师、研究生、博士生等。biofount耗材（微流控芯片制造商）在本指南中，我们将微流控芯片技术的概述，并解释微流控技术如何帮助科学家新发现，并向您展示如何在实验室制作自己的微流控芯片产品。什么是微流控及时？

4、微流控技术是一门精确控制和操纵流体的科学技术，这些流体在几何空间上被限制在小规模流道中，通常流道系统的直径低于100mo对于科学家和工程师来讲，微流体一词的使用方式存在不同；对许多教授来说，微流控是一个科学领域，主要应用于通过直径在IOO微米（m）到1微米之间的流道研究和操纵微量流体。对微流控工程师来讲，微流控芯片（通常称为：芯片）的制造，主要是为了引导流体在直径为100Im至I1Im的流道系统中流动。为什么微流控芯片对我们很重要？微流控芯片是一种在十微米级直径微小流道中的工作的系统。作为参考：1微米是一米的百万分之一。一根头发丝的直径约为：4-5mo在这种精密流道上工作有很多优点：微流控系统

5、与使用培养皿和滴管的传统测试方法相比，具有使用样本量小等特点，这意味着所需实验或者检测所需昂贵化学品和试剂数量会降低不少。当遇到有毒有害物质时，微流控检测也会更安全，因为在微流控系统中有毒物质可以得到更好的控制。|(DNA1ength-A10basepair10Kbasepairsubnmnmsca,e-J岬TCaIeTrmmesca,e卜Nanof1uidicsT-Microf1uidicsT-Miinf1uidicsIIII；：您藕管:凌物!0sOUN微流控专家们通过使用电荷、注射泵，甚至声学方法来推动液体通过微通道。此类样品及成本控制使微流体成为药理学和生物技术领驭炙手可热的应用技术。微

6、流控技术专家们正在开发更快、更便宜的方法来检测患者的病毒，检测土壤中的有害化学物质，尤其在动物检测领域微流控技术得到了大规模应用。?.微流体与微流控有何不同？微流体学主要是操纵和观察直径为1毫米（mm）的通道中流体的技术。虽然微流体比微流控使用更多的流体，但与传统测试方法相比，这仍然是一种微量检测方法。有些项目中，微流体通道可获得与微流控芯片相同的效果，但微流体系统的制造显然造价更低，技术门槛也更低。?.微流体系统和微流控芯片的应用?.1.生物技术再生医学一直专注于干细胞的研究，这在很大程度上是因为干细胞能够分裂并成为其他类型的分化细胞。例如，当医生将干细PDMS胞注射到肌肉组织中时，它们可以

7、分化并成为肌肉细胞，从而帮助修复和再生受损组织。胚胎干细胞体外培养和发育一直是干细胞研究人员面临的最大挑战之一。主要是因为发育过程中缺乏形态发生素梯度形成和信号转导调控机制，形态发生素在刺激胚胎细胞发育方面发挥着关键作用。瑞士洛桑联邦理工学院的科学家最近发现了一种克服这种问题的方法。Matthias1iito1f博士和他的团队复制了一种称为：原肠胚形成的胚胎干细胞发育的过程，方法是使用一种独立的微流控细胞培养系统。Thepo1ydimethy1si1oxane(PDMS-basedmicrof1uidicce11cu1turedevicedeve1opedbyEPF1scientists.?.

8、2.制药工程3D细胞培养，除了生物技术外，微流控技术很可能会彻底改变制药工程。如：1iitoIf博士和他的团队使用的微流控设备，事实上，3D细胞培养技术可能有一天会使动物试验完全被淘汰。药物测试过程中，首先需要由体外实验开始。药物体外实验显示出有希望的结果后，下一步通常是在动物模型中进行药物测试。原因是，在进入人体临床测试之前，动物测试是科学家最接近复制人体内部发生的事情的途径和方法。3D细胞培养为药物测试和工程提供了一个新的途径。当前的细胞生物学研究大多仍旧在二维平面培养进行，但科学家们逐渐发现2D细胞培养存在很大的局限性：在平面培养中细胞的生长方式、形态、分化、功能等与体内生理条件存在明显

9、差异。3D细胞培养为细胞提供更加接近体内生存条件的微环境，能够更好地模拟生理状态，从而获得与体内实验更加一致的实验结果。随着一些新的3D细胞培养技术在生物相关性、使用便利性和通量上的改进，3D细胞培养在基础研究和药物发现中的应用越来越广泛。?.3.化学工程微流控技术正在推动化学安全及环保水平的提升，目前能够通过微通道反应器实现的化学反应有很多类，已成功应用的反应类型有：硝化反应（芳环硝化、硝酸酯制备）；低温反应；澳化和氯化反应（N气氯化、IV气光催化氯化）；氟化反应；重氮化反应（重氮化还原、重氮化取代、重氮化偶联等）等。?.4.体外诊断微流控芯片技术使构建一种简单便携的装置用来用于生物标记物的

10、检测成为现实，从而使未来户外即时诊断和为家庭医疗提供一种新的技术方案。生物标志物特别是蛋白质标志物快速检测是临床医学诊断、药物治疗的一个重要的数据依据，而微流控芯片技术由于其微型化和所需极少样本量（v1（1）的特点,并实现肉眼观察。微流控芯片技术是通过生物学、化学、医学、电子、材料、机械等多学科交叉，将分子生物学、化学分析、医学等领域所涉及的样品前处理、分离及检测等过程集成到几平方厘米的芯片上，从而实现从样品前处理到后续分析的微型化、自动化、集成化和便携化的技术，具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体积小和便于携带等优点，已在多个领域得到应用，2003年福布斯杂志把这项技术评为“

11、影响人类未来15件最重要发明之一。微流控芯片技术的特点，一是微流体的层流效应、表面张力及毛细效应、快速热传导效应和扩散效应等一系列特殊效应，有利于精确流体控制和实现快速反应；二是结构复杂性，微加工工艺具有加工小尺寸、高密度微结构的能力，便于实现各种操作单元的灵活组合与规模集成。因此，样品前处理、分离与分析、检测等实验流程得以在同一芯片上集成化和并行化，从而达到微型化、自动化、低消耗和高效率的目的。生物芯片是微流控芯片的特殊类型，包括基因芯片（包括DNA和RNA芯片）、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等，是微流量为。的点阵列型杂交芯片。5.微流控芯片技术研究微流控芯片的技术研究涉及芯片分类、加工、

12、封合、微流体驱动、信号收集、分析检测等环节。5.1. 微流控芯片的分类根据微流控芯片反应原理的不同可分为:白金电阻芯片、压力传感芯片、电化学传感芯片、纳米反应器芯片、微流燃料芯片等。根据微流体芯片的结构差异，可将PCR芯片分成静止与动态PCR芯片；也可分为微池型PCR、蛇形通道PCR、螺旋通道PCR、振荡式PCR及闭环式PCR等。静态PCR的特点在于体系不流动，通过芯片整体升温、降温的循环来实现反应；动态PCR则由液体通过不同温区进行扩增。5.2.微流控芯片的制作微流控芯片的制作包括芯片加工、封合等环节，主要依托于MEMS(MicroE1ectro-Mechanica1SyStem)加工工艺，

13、具有在微米级实现微量流体操控的能力。用于微流控PCR芯片的材料有硅、玻璃、石英、金属有机聚合物和特殊材质的纸等，其中，玻璃的机械强度较高是制作PCR芯片的主要材料；高分子聚合材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)和环状烯烧共聚高分子(COC)因其生物相容性好，可塑性强、亲和力强，成本低、制作过程简单，多用于制作生化分析器件。微流体通道的加工工艺有软光刻和刻蚀技术、热压法、模塑法、注塑法1IGA法(集合光刻、电铸和塑铸)和激光烧灼法等传统方法以及3D打印等新手段；微流体通道的封合可采用等离子表面处理或深紫外照射后即时贴合、超声焊接、激光焊接、贴膜法等，主要考虑老化及管道堵塞等问题。5.3.微流控芯片的检

14、测分析微流控芯片的驱动方法主要有电驱动、磁场法、离心力、光控法、泵推法等。由于芯片的结构复杂，液体驱动主要依靠外置泵和阀配合使用，易产生通道“死体积，引起交叉污染。因此，对微液滴操控方法的研究成为这一领域的研究重点。微流控芯片的分析主要是对液滴信号进行采集，包括电信号的导出、扩增曲线的采集和可视化读出。根据微流控芯片的功能不同，其所需要的检测及分析方法也不同。如在线荧光扩增曲线检测法包括终点检测、实时检测、荧光融解曲线分析，提高了检测通量，减少交叉污染的风险。微池型PCR芯片与荧光检测相结合，进行数字PCR检测。另外，根据不同的检测目的，还可采用电化学方法、DNA杂交微阵列法、质谱等在线检测方

15、法。因微电极可以加工到芯片上，因此电化学检测法更适合于微流控芯片的检测；质谱法最大的优点是能提供分子空间结构信息，因此在生物大分子(如蛋白质)的结构研究方面具有独到之处，但因为质谱检测系统本身比芯片还要大，所以很难实现整个系统的微型化。6.微流控芯片的应用微流控芯片从方法研究、平台构建到应用拓展，已成为多专业交叉的强大科研技术平台，在生命科学领域，蛋白质组学、杂交测序、代谢物分析、转基因产品检测、体外临床诊断、病原体检测等方面都有广泛的应用及巨大的应用前景。微流控芯片可进行DNA单分子扩增及核酸定量,实现全自动PCR分子诊断；微流控芯片与质谱相结合，可用于大规模、高通量的蛋白分析和鉴定，在蛋白质组学研究中具有很大优势。6.1. 在生物化学分析中的应用微流控芯片在细胞的培养、分离、组分分析及细胞操纵方面都有应用。单细胞分析对重大疾病的早期诊断、治疗、药物筛选及细胞生理、病理过程的研究有重要意义。将光镣或超声捕获、光穿孔、细胞裂解、电泳分离和细胞流失计数等操作单元集成到一块微流控芯片上，并把得到的信息汇总分析，可以完成对单个细胞的精准操控。北京大学和浙江大学报道了一种针对尿液脱落肿瘤细胞(UETCS)的微流控检测技术，利用单克隆抗体CK20、CD44v6进行膀胱癌的准确诊断；