一文看懂微流控芯片的工作原理

微流控技术的起源

微型化、集成化和智能化，是现代科技发展的一个重要趋势。伴随着微机电加工系统(MEMS )技术的发展，电子计算机已由当年的“庞然大物“ 演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统，甚至是一部微型的智能手机。

MEMS技术全称Micro Electromechanical System，MEMS设想是由诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman教授于1959年提出，其基本概念是用半导体技术，将现实生活中的机械系统微型化，形成微型电子机械系统，简称微机电系统。

1962年全球第一款微型压力传感器面世，这一创新产品后来被应用于汽车安全(轮胎压力检测)和医疗(有创血压计)，开启了MEMS时代。今天MEMS技术在军事、航天航空，生物医药、工业交通及消费领域扮演核心技术的角色，智能手机中就嵌入了多个MEMS芯片，如麦克风，加速度计，GPS定位等。

微流控芯片的特点

芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模也归来越大，使着微流控芯片有着强大的集成性。同时可以大量平行处理样品，具有高通量的特点，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析样品所需要的试剂量仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积甚至在纳升级或皮升级。

兼价，安全，因此，微流控分析系统在微型化。集成化合便携化方面的优势为其在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。

微流控芯片的工作原理

微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵。电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量分析。微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统?微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构，如毛细管电泳、聚合酶链反应、酶反应和DNA 杂交反应的微型反应器等。其中电压驱动的毛细管电泳(Capillary Electrophoresis，CE) 比较容易在微流控芯片上实现，因而成为其中发展最快的技术。它是在芯片上蚀刻毛细管通道，在电渗流的作用下样品液在通道中泳动，完成对样品的检测分析，如果在芯片上构建毛细管阵列，可在数分钟内完成对数百种样品的平行分析。

微流控芯片的工作原理图

微流控芯片技术在水环境污染中的应用

1、用于水体中重金属检测的微流控芯片系统

随着工农业的发展，越来越多的重金属如汞、铬、铅、铜、镍、钒等被排放入水体，不仅会对水生动植物产生毒害作用，还能通过富集作用进入生物链，对整个生态环境构成严重威胁。对上述重金属的检测，虽然可以使用高精度的原子吸收光谱和原子荧光光谱等方法。但是在应对突发性污染物泄露事件，或者对一个区域进行连续监测的情况下，仍需要快速、高效的检测工具。使用光刻法搭配湿法刻蚀技术，成功研制了一种微流控芯片，该芯片利用鲁米诺发光性质，成功地对硝酸钴进行了测定。与此同时，通过简单的改造之后，该微全分析系统还能成为检测过氧化氢或者二氧化氮的装置，并可以与信号传递装置结合起来，成为一种自带无线信号发射功能的设备。

基于纸的微流控器件近几年的发展也很迅速，相对于具有类似功能的微流控设备，它具有操作简单，不需要外援设备，可多元检测等优点，开发出了一种可以用来检测多种重金属的纸芯片，显示了良好的灵敏度。

2、用于水体中营养盐测定芯片系统

用于营养盐测定的微流控芯片系统多数是基于分光光度的检测原理，运用现代微细加工技术将各种光电元件加以集成，例如，一种用于水体中磷酸盐检测的微流控芯片系统，该系统配有数据的发射装置，可以在目标区域的不同位置分别布置对该区域的磷酸盐污染状况进行全方位的实时监测，检测限量最低为0.3mg/L。

贾宏新等提出了一种三层杂交结构微流控芯片，在玻璃片上加工微反应通道，用PDMS加工气体渗透膜和具有接受通道的PDMS底片，实现了溶液中铵根正离子反应、生成的氨气扩散分离、吸纳、溴百里酚蓝显色和光度检测在微流控芯片上的集成化。

3、用于水体中有机污染物分析芯片

水体中除含有无机污染物外，更大量的是有机污染物，它以有毒性和使水中溶解氧减少的方式对生态系统产生影响，危害人体健康，因此有机污染物的数量是评价水体污染状兄的极为重要的指标。这一类污染物由于其含量较低，通常需要进行前期的预处理，微流控芯片的优点体现在可以将前期的预处理以及后期的检测进行集成，并且具有较高的萃取/富集效率等。

4、用于水体中微生物检测芯片系统

水体中的微生物按其粒径，属于颗粒有机碳范围，其种类群可以反映水体生态特征和一些重要的污染状况，是水体生态调查中的常规监测指标。在其测定过程中，流式细胞术是最为准确、快速的方法。但其设备昂贵、体积庞大、需要专人操作，不适合现场、连续监测要求，基于鞘流式流体控制的微流控芯片的出现在一定程度上克服了这些局限，并可能实现仪器的集成化、小型化、自动化和便携化。