電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)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(guò)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(rùn)濕性。 當(dāng)電極上所施加的電壓對(duì)液滴造成的不平衡力超過(guò)液滴慣性或所受阻力時(shí)，液滴會(huì)按照電壓施加的順序在各電極表面移動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)液滴操控的目的，最終通過(guò)對(duì)液滴移動(dòng)的不同組合，實(shí)現(xiàn)液滴的生成、分裂、合并、移動(dòng)，從而實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了無(wú)泵條件下納升級(jí)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(guò)疏水處理，其工作原理見圖 ５。 當(dāng)只有左側(cè)電極通電時(shí)，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(dòng)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(dòng)至右邊電極后，中間的電極斷電，液滴被分裂成兩個(gè)液滴，分別停留在通電的左右兩個(gè)電極上（見圖 ５ｃ 和圖 ５ｄ）。 最后對(duì)中間的電極通電，同時(shí)對(duì)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(gè)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(shí)操作簡(jiǎn)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(rùn)濕滴液的合并分裂過(guò)程

Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ 等報(bào)道了一種可以檢測(cè)血清中葡萄糖的電潤(rùn)濕液滴分析平臺(tái)。 如圖 ６ 所示，該電潤(rùn)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(cè)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(chǔ)液區(qū)域中，通過(guò)不同電極順序施加電壓而改變電極表面的浸潤(rùn)狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)液滴從疏水電極表面向親水電極表面移動(dòng)，樣品與試劑以液滴的形式自動(dòng)從儲(chǔ)液區(qū)域量取出來(lái)，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(dòng)到檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行吸光度檢測(cè)。 該工作成功利用電潤(rùn)濕技術(shù)在芯片上實(shí)現(xiàn)了全血、血清、尿液等不同類型樣品中葡萄糖的檢測(cè)。

圖 ６ 集成了吸光度檢測(cè)裝置的電潤(rùn)濕芯片示意圖

Ｓｉｓｔａ 等報(bào)道了一種能應(yīng)用于磁珠免疫分析和實(shí)時(shí)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(gè)通用試劑盒和一個(gè)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(dòng)到磁鐵區(qū)域，磁珠通過(guò)磁場(chǎng)從混合物液滴中被分離出來(lái)，混合物液滴除磁珠外的溶液被驅(qū)動(dòng)到廢液池，接著清洗液被驅(qū)動(dòng)到磁鐵區(qū)域，對(duì)固定的磁珠進(jìn)行清洗后被驅(qū)動(dòng)至廢液池，最后將化學(xué)發(fā)光底物驅(qū)動(dòng)至磁珠位置反應(yīng) ２ｍｉｎ，然后驅(qū)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)，其化學(xué)發(fā)光信號(hào)由光電倍增管檢測(cè)。

Ｍｏｕｓａ 等報(bào)道了一種基于微流控電潤(rùn)濕技術(shù)的自動(dòng)血液雌激素提取系統(tǒng)，系統(tǒng)原理見圖7。實(shí)驗(yàn)中，樣品和試劑以液滴的形式儲(chǔ)存在芯片中，首先以液滴形式驅(qū)動(dòng)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(dòng)該液滴和非極性萃取劑異辛烷混合實(shí)現(xiàn)換相，最后驅(qū)動(dòng)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(bào)道了一種利用電潤(rùn)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(guò)簡(jiǎn)單的液滴混合和磁珠分離在電潤(rùn)濕芯片上完成了自動(dòng)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(guò)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(guò)電潤(rùn)濕技術(shù)進(jìn)一步移動(dòng)到廢液區(qū)，最后驅(qū)動(dòng)清洗液實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)處理 ４ 個(gè)樣品，且對(duì)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(rùn)濕裝置原理圖

壓力驅(qū)動(dòng)技術(shù)

壓力驅(qū)動(dòng)是通過(guò)在通道出入口間施加壓力差來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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?jī)?chǔ)存于芯片上，在分析過(guò)程中只需驅(qū)動(dòng)其進(jìn)入特定腔室實(shí)現(xiàn)反應(yīng)即可。

Ｄｏ 等提出了一種熱氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的芯片，芯片結(jié)構(gòu)見圖9。 整個(gè)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(chǔ)液池。 試劑先封裝在儲(chǔ)液池中，加 熱 偶 氮 二 異 丁 腈 ，分解產(chǎn)生 Ｎ２ ，通過(guò)提供不同的加熱程序，例如通過(guò)控制電流強(qiáng)度和加熱時(shí)間，可以控制 Ｎ２ 的釋放，最終實(shí)現(xiàn)精確操縱微流體的功能。 生物傳感器陣列是整個(gè)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(cè)量，由檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)微閥的控制，同時(shí)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(dòng)的微流控芯片示意圖

毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)技術(shù)

毛細(xì)現(xiàn)象在自然界中普遍存在，是指浸潤(rùn)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(dòng)，是基于毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)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(shí)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(yàn)孕棒和糖尿分析試紙。 此類試紙因其操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、分析過(guò)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(diǎn)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(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)類似于微通道芯片的功能。 紙芯片基材來(lái)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(wú)需外設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。 紙芯片的產(chǎn)生在某種程度上彌補(bǔ)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(dòng)設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)診斷，并通過(guò)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(cè)。 Ｈｅｎｒｙ 等提出將電化學(xué)檢測(cè)法應(yīng)用到紙芯片中，相對(duì)于之前常用的比色法，提高了檢測(cè)靈敏度。 隨后，Ｌｕ 等和 Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ 研究組相繼報(bào)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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