微流控芯片单元

高密度集成的微流控芯片装置可以实现高通量并行化的实验以及多种操作单元的功能一体化，作为一种新的方法学平台，已经越来越多地应用于化学和生命科学的研究中。单元操作主要包括进样、样品处理、混合、反应及分离等。

一、进样及样品前处理单元

利用芯片平台处理样品，需要将样品引入芯片的样品处理通道或通道网络，该步骤通常称为进样。进样通常又可分为上样和取样两个步骤。芯片实验室处理的对象是流体，液态样品进样是芯片进样的主流，实际操作中主要有向样品处理通道内引入样品区带、引入样品液滴和引入持续样品流3种情形。区带进样又分为单通道辅助进样、多通道辅助进样和激光辅助进样。

在常规操作中，样品往往需要预处理，再引入其它操作单元。将这些预处理操作移植到芯片上，可使芯片具有直接处理实际样品的能力。减小耗样量是使芯片实验室实现实用化和产业化的必要条件。芯片样品预处理操作往往涉及多种试剂、多个步骤和复杂微通道网络，芯片样品预处理单元同时要与外部样品源和后续样品处理单元偶联。 因此，芯片样品预处理具有技术含量高、操作难度大等特点，但蕴含的技术增长点多。常见的芯片预处理操作有萃取、过滤、膜分离、等速电泳和场放大堆积等，其中固相萃取的富集倍数有时可达103，并且较易在芯片上实现， 是芯片平台上最重要的样品处理技术之一。

二、微混合和微反应单元

混合是一个物理过程，其目的是实现参与过程的不同组分的均一分布。溶质混合有两种机理：一种为对流传质，另一种为扩散传质。微芯片混合技术具有以下特点：① 混合效率高，时间短，能耗少；② 易于控制，传质及传热性能好；③ 设备结构简单，容易与其它功能单元集成。根据输入能量的不同，将微混合器分为被动式和主动式两类。被动式微混合器单纯地利用几何形状或流体特性产生混合效果，除驱动流体流动的压力、电渗驱动等，混合不借助于其它外力，混合器中也不含任何可移动部件，由此又可分为并行迭片、串联迭片、混沌对流和液滴微混合器等。而主动式微混合器则借助磁力、电场力及声场等外力实现混合。

微芯片反应技术是一种将微结构的内在优势应用到化学反应过程的技术，体现这种技术的设备或器件被称为微反应器。微反应器是一种单元反应界面尺度为微米量级的微型化学反应系统。它的基本特征是线性尺寸小、物理量梯度高、表面积/体积比大以及流动为低雷诺数层流，其优点是可通过并行单元来实现柔性生产、规模放大、快速和高通量筛选等，与常规反应器相比，微流控芯片反应器传质传热较快，反应条件（如温度、pH值等）易控制。如正电子发射断层扫描诊断中重要的放射性显像药物18氟-2-脱氧葡萄糖的半衰期为110 min，其常规合成需由训练有素的工作人员使用特殊设备花费几十分钟。采用集成大量微阀和微泵的微流控芯片（图1），将合成中的氟化物富集、脱水、标记、脱乙腈、水解五步反应高度集成在微流控芯片上，使合成仅需14 min，产物可直接注射入小鼠体内，从而得到肿瘤分布的清晰图像。

图1. 放射性药物合成所用微芯片示意图[9]

三、微分离单元

 早期的微流控芯片是一种集成化的微分离器件，在芯片上进行电泳的研究仍然是微流控领域的主流之一，而电泳分离占有极为特殊的地位。需要强调的是，微流控芯片所涉及的分离只是芯片众多功能操作单元中的一种，尽管很多时候它还会被单独使用。

介电泳技术可作为前置过滤（或分离）技术，集成在其它检测系统中来提高检测的灵敏度。Lapizco-Encinas等采用传统的刻烛微加工方法，在玻璃片上加工出多个绝缘柱，利用绝缘直流介电泳同时实现活体和死亡细菌的富集以及分离。由于经加热致死的大肠杆菌的电导率比活体大肠杆菌大，受到的负介电泳力则较小，因此通过施加不同的电压，可首先实现活体大肠杆菌的捕集。随着电压的增加，可继而捕集死亡的大肠杆菌。该系统可实现样品高达3000倍富集，分离效率为100%。Pysher和Hayes在PDMS微流控芯片上加工出尺寸规律变化的锯齿状微结构。当在通道两端施加直流电后，会在锯齿处产生不均匀电场，电场强度在样品流动方向上规律性变化。该结构设计可同时使样品受三种电动力的作用：电泳力、电渗流拖拽力和介电泳力。当这三个力在生物体运动方向平衡时，生物体就会被捕集在锯齿附近；当介电泳力较小时，生物体则会在电泳和电渗流作用下随溶液流走。由于同样电场强度条件下，活体生物与死亡的生物体因所受介电泳力不同，从而实现在通道的不同位置分别收集活体和死亡的枯草杆菌、大肠杆菌和表皮葡萄球菌（S.epidermidis）。

介电泳技术实现了细菌和病毒的分离和定量研究。Balasubramanian采用微流控芯片装置，实现了自来水中目标细菌的捕集。该研究使用大肠打菌、沙门氏菌（Salmonella）和海洋细菌（Pseudomonas sp）以及两种病毒来评价装置的工作性能。研究结果表明：在电场强度分别为67 V/cm和 84V/cm条件下，可分别得到90%和99%的捕集效率。

   Cheng报道了基于三维AC-DEP和表面增强拉曼散射技术原理的病原体检测微流体芯片装置。该装置集样品过滤、聚焦、分选、捕集和检测功能于一体，可同时实现多种病原体的检测。在通道最左端布设多条平行电极，用以滤除受正向介电泳力的杂质颗粒，而受负向介电泳力的颗粒则顺利流向样品聚焦区域。在聚焦区域，电极布设成锥形，颗粒在负向介电泳力的作用下，被聚焦在通道的中心；在样品分选区域有三个倾斜的电极，用以引导颗粒进入不同的分选通道。在各个分选通道末端设有电极，用于浓缩样品。研究者釆用该芯片装置成功实现了乳酸杆菌（Lactobacillus）和大肠杆菌混合样品的分离以及Gram-(+) S. aureus和Gram-(-) P. aeruginosa的区分检测。

       基于Sanger末端中止法的阵列毛细管电泳是第一代DNA测序仪所采用的主流技术。基于微流控芯片大规模集成的特点，加州大学伯克利分校的Mathies等设计了一种96通道微阵列电泳微流控芯片，使高通量的DNA 测序第一次得以在微流控芯片上实现。该芯片采用了转角蜿蜒设计，有效分离管道的长度16cm，增加了一次电泳分析的可读片断长度，极大地提高了分析的通量。

      美国哈佛医学院的Toner课题组在微流控芯片上从未经任何处理的全血中分离出了循环肿瘤细胞（circulating tumor cell）。该芯片采用硅基片，加工出了密集的微立柱，用表面化学的方法在硅基片上修饰了肿瘤细胞抗体EpCAM。当全血流经芯片时，由于细胞与基底的结合力使循环肿瘤细胞被分离出来以便进一步检测。他们用该芯片成功地从117例患有前列腺癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌、结肠癌的患者的全血中分离检测到了116 例样品中的循环肿瘤细胞，检出率达到99%。

      密西根大学的Takayama实验室提出了一种在微流控芯片上简单分离有活力精子的方法。该方法利用微通道中流体所特有的层流的性质，在Y 形分叉的一个分支中加入精子样品，在另一个分支添加缓冲溶液。由于层流作用，这两股流体在通过合并管道后，除少量扩散外不会有其他因素促进混合，因此绝大多数没有活力的精子细胞会平直地流出，而有活力的精子由于自身的游动会从原有的流层中游出，“主动扩散”到相邻的缓冲液层。该芯片构造极为简单，无须外界注射泵等外源能量的介入，利用表面张力和重力将待测样品从入口一端泵到出口，而有活力的精子在出口有效富集（图2）。

图2. 活力精子细胞分选的原理示意图