Manz等(1990)首次提出以微电子机械系统技术为基础的 “微型全分析系统 (micro total analysis systems, μTAS)” 概念,标志着微流控研究开始真正获得重视并进入快速发展的阶段。这些系统用于化学分析,后来随着应用领域的扩展,“微流控芯片 (microfluidic chip)”、“芯片实验室 (lab on a chip)” 和含义更广的 “微流控器件(microfluidic device)” 成为更通用的说法。微流控器件利用结构各异的微通道和形式多样的外加力场,对微量流体或样品在微观尺度上进行精确操纵、处理与控制,从而将传统实验室的部分乃至全部功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在一次性或可多次重复使用的微芯片上。相比于传统方法,微流控器件具有低成本、低能耗、易自动化、快速灵活、高便携性等优势,直接面对社会各行各业的实际需求,在疾病诊断、细胞研究、药物筛选、环境监测、绿色能源、材料合成等各个领域开展应用并展示出广阔前景。
微流控实验系统平台集成了光学显微镜、生物芯片、微流体进样泵、流体流速监测与控制及用于图像分析的电脑等。该系统平台能够完成细胞滚动/粘附、细胞迁移、细胞分选、细胞运动轨迹跟踪、细胞数目统计分析等细胞分析及高通量细胞筛选分析。
微流控实验系统平台可以直接采用现有的已搭配好的系统平台,也可以根据自己实验的需求,自主进行搭配。目前已搭配好的通用微流体实验平台主要有CorSolutions系统、Cellix半自动系统和LabSmith测试系统。
下面简要介绍下这几个微流控实验系统平台的构成,给出搭建微流体实验系统需要考虑的组成部件。
1、CorSolution微流控实验系统平台
CorSolutions微流控系统主要包括微流体泵(蠕动泵或气动泵)、光学显微镜(尼康体视显微镜)、微流体探针台、微流体探针、注射阀、微流体流量计、嵌套适配器夹具、带有摄像头的显示器等。
CorSolutions微流控系统配置电阻抗测试系统可完成细胞的光学及电学性能分析。电阻抗测试系统可由HF2IS阻抗谱和HF2TA或HF2CA前置放大器构成。电阻抗测试系统可实现单细胞的测量及统计分析。
根据个人研究目的的不同,可适当更换部分微流控部件,如蠕动泵、尼康体视显微镜、流量计等
2、Cellix半自动微流控实验系统平台
VenaFlux半自动微流控系统平台的主要特性
(1)强大和易于使用
(2)非常适用于全血的血小板粘附、聚集和血栓形成的研究及随时间变化的生物膜培养研究
(3)便于研究细胞粘附、迁移和轮回
(4)适合于体外研究和依动物模型进行的实验研究
VenaFlux半自动微流控系统平台的主要应用
(1)功能性细胞配体和细胞—细胞相互作用研究
(2)细胞粘附和迁移的形貌分析
(3)流动、滚动和迁移细胞的跟踪
(4)临床前药物开发和优化
根据个人实验研究目的的不同,可适当更换部分微流控部件,如Mirus Evo纳米泵和Kima泵、蔡司显微镜、生物芯片等。
3、LabSmith微型模块化的微流体综合测试平台
功能特色
(1)一体化—所有部件紧凑的集成整体系统,节省实验空间。
(2)自动化—软件整体控制,也可通过LabVIEW进行编程控制,方便自如。
(3)多功能化—一套系统可完成多种实验,如机械驱动进样,高压驱动进样,选择进样以及成像分析。
4、自主配置微流控实验系统平台
微流控实验系统平台在一定程度上可以看成是一个由多个不同的部件组合而成的系统平台,该系统平台主要包括四大部分:进样泵系统、流体检测与控制系统、微流控芯片系统及分析和检测系统。
下面就微流控系统平台的四大组成部分做简要介绍。
进样泵系统:
(1)带有传感器和PID控制的注射泵
(2)带有传感器和PID控制的蠕动泵或气动泵
(3)带有传感器和PID控制的压力驱动泵
(4)电驱动(电场力驱动)
(5)超声波驱动
(6)光驱动(可见光或红外光或紫外光等)
流体检测与控制系统:
(1)流量计(带有PID控制)
(2)流量模块(flow unit,温度传感测量,法国fluigent)
(3)压力传感器
(4)其他测量微流体流速的仪器
微流控配件:
微流控配件主要有不同外径尺寸和内径尺寸的毛细导管(用于连接进样泵、流量计和芯片的进出口);转接适配器(用于连接不同类型的毛细导管);导管切割机(用于切割不同尺寸的导管,导管的横断面切口保持导管原始形状如圆形或方形);调压阀(用于气体驱动泵的压强调节);温度控制器(用于芯片通道的加热,实现实验的恒温控制);不同类型的钢针(连接不同尺寸的毛细导管或芯片的出入口);切换阀(用于实现2路或多路液体的切换控制)等。
微流控芯片:
生物芯片的主要材质有玻璃、硅、石英、聚合物(PC、PDMS、PMMA)等。
根据研究目的的不同,生物芯片通道表面需要做不同程度的处理,如亲水或疏水处理、螯合Cu2+处理及生物蛋白处理等。
此外,微流控芯片依据不同的用途又可分为液滴产生芯片、流速细胞芯片、微混合器芯片、微反应器芯片、电阻抗谱芯片等。
对于某些特殊需求的芯片,如3D芯片通道、弯曲芯片通道、大宽度的芯片沟道等,均可实现定制需求。
分析和检测系统:
(a)电学分析
(b)光学分析