以微流控分析芯片为核心的微流控分析是20世纪90年代初诞生的一种流动分析的新概念。人们沿用微电子工业中加工集成电路的思路，通过微机电加工技术（microelectro-mechanicalsystems,MEMS)，在方寸大小的玻璃、硅、石英和聚合物等材料薄片上，加工出具有一定结构的微细通道网络及其他相关分析器件，形成集成化的微流控芯片（microfluiclicchip)。通过控制试样溶液和试剂溶液在芯片通道网络中的有序流动，完成取样、稀释（浓缩）、反应、分离、检测等化学分析的基本操作。图25-16(a)所示的是一片由玻璃制作的、用于DNA片段分离分析的商品微流控分析芯片。微流控分析芯片的通道宽度和深度一般为微米至数十微米，长度一般在厘米范围。微流控分析芯片与适当的溶液驱动和控制系统、分析信号的检测系统（目前，这两个系统多半处于芯片以外）一起，构成了各种微流控分析系统。图25-16(b)是与图25-16(a）所示芯片配套使用的微流控DNA分析系统。一般来说，微流控分析系统具有以下分析特点：

(1)分析速度极快。微流控芯片一般可在数秒至数分钟时间内完成分离、测定或其他更复杂的操作，分析速度常高于对应的宏观分析方法1-2个数量级；

(2)试样与试剂消耗在纳升至微升水平。这既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗，也减少了对环境的污染；

(3)通过MEMS技术，不仅可以在芯片上制作微细通道网络，而且还可以在芯片上加工制作诸如微阀、微泵、微电极和微透镜等微分析器件，形成高度集成化的微流控芯片；

(4)微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。当实现批量生产后，可望大幅度降低芯片成本而成为一次性分析器件，有利于普及应用。

微流控分析系统的最终目标是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能（如取样、试样预处理、反应、分离、检测、数据处理等）转移到以微流控分析芯片为核心的便携式分析仪器中。在此基础上，像个人电脑、家用血压计那样，实现分析仪器的“个人化”，从而使化学和生化分析从化学实验室解放出来，进入办公室、病房、事发现场，甚至千家万户。但是，目前微流控分析还处于发展阶段，真正具有全分析（从引入粗试样到给出数据的所有操作）功能的系统还不多见。

一 微流控芯片的制备

最为常见的微流控分析芯片是用玻璃制作的。除玻璃外，也有用石英、硅片等无机材料制作芯片。近年来，用高分子材料加工制备微流控分析芯片引起了人们的重视。微流控分析芯片的制作一般包括通道的制备，集成化器件（如引流孔、微电极等）的加工、芯片的封合、芯片的后处理（如黏接储液池）等若干步骤。

玻璃芯片上微细通道的加工沿用了集成电路芯片制备工艺中广泛使用的光刻和湿法腐蚀技术。其实质与用氢氟酸在玻璃上刻字相似，所不同的是微细通道结构复杂、精度要求高，因此需要通过光刻技术将通道的图形转移到玻璃基片上去。光刻之前，先要在玻璃片表面沉积一层金属牺牲薄层（一般是厚度为几十纳米的铬层）。在铬牺牲层表面均匀地涂覆一层类似于照相纸感光乳剂的光胶，将具有通道图形的光刻掩膜（相当于照相底片）置于光胶之上，经曝光后，通道的图形即转移到光胶层上，此过程称为光刻(photolithography)。用适当的溶剂，首先将曝光过的光胶除去，露出具有通道形状的铬保护层，再用适当的溶剂（如硝酸饰按和高氯酸的混合液）除去不为光胶掩盖的铬牺牲层，于是玻璃底板上需刻制通道的部位便暴露出来。然后除去未曝光的光胶并在玻璃基片的背后贴（涂）上耐腐蚀薄层（如透明胶带纸），再将被铬牺牲层选择性保护的玻璃基片放入含氢氟酸的溶液中，经过一段时间的湿法刻蚀，玻璃基片的表面便刻蚀出一定深度的微细通道结构。所刻通道的宽度和深度由刻蚀时间和温度等实验条件所决定。

聚合物芯片上的通道可以根据所用聚合物材料的物理和化学性能采用不同的加工方法。对于热塑型聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗称有机玻璃）和聚碳酸酯(PC)，最常用的方法是热模压法（hotembossing)。热模压法需要将一个相当于印章的阳模置于聚合物基片上，加热至该聚合物的玻璃化（软化）温度附近，加压使阳膜上的凸起结构嵌入聚合物基片，待阳模和聚合物基片冷却后脱模，即在聚合物基片上形成与阳模凹凸互补的微细通道。聚合物芯片的通道结构还可以用模塑法加工。但与热模压法不同的是，模塑法是将混合了引发剂的、尚未完全聚合固化的聚合物前聚体，浇铸在阳模之上，待前聚体聚合固化以后，再将聚合物片与阳模小心剥离后就得到具有微通道的片基，如聚二甲基硅氧烷（PDMS)芯片通道结构的制备。

无论采用何种通道加工的方法，所得到的只是有一面是开放的凹槽，还需要用适当的方法封合。即将另一片相同或不同的材料盖片与带有通道凹槽的基片封合成密闭的通道结构。最常用的封合方法是热封接。以玻璃芯片为例，将刻有通道的玻璃基片和同种材料的、大小一致的玻璃盖片充分洗净、吹干，在无尘的环境中合拢后，放入高温炉，加热至玻璃的软化温度（550℃左右）保温一段时间，冷却后即可实现永久性封合。

二 微流控分析系统的液流驱动和控制

微流控分析系统是通过试样和试剂溶液在微细通道网络中的有序流动完成化学分析的各个步骤。因此，流体的有序流动是微流控分析的前提。溶液在芯片中的有序流动依赖于一定的液流驱动和控制系统。微流控分析中常用的液流驱动和控制方法有压力和电渗两种方法。

压力驱动是微流控分析系统常用的驱动方式。根据产生压力方式的不同，可分为重力驱动和微泵（注射泵、蠕动泵等）驱动。利用流体自身的重力驱动液流的微流控芯片。在芯片的上部（竖直位置）加工了三个储液池，中部为混合／反应通道，底部为废液池。将芯片水平放置时，向储液池中分别加入试样、指示剂和标样溶液；将芯片竖直，各储液池中的溶液在重力的驱动下流入混合／反应通道，进行混合与反应，所生成的产物在中央通道下游经检测后流入废液池。重力驱动的特点是装置简单，容易集成化，流体无脉动，但流量容易受通道内的阻力变化而变化，且难以在复杂的多流路通道网络中进行复杂的液流调控。

采用外置的注射泵驱动和控制液流的微流控液液萃取装置。两个注射泵分别驱动试样水溶液和与水不互溶的有机溶剂，使它们在中央通道汇合并形成具有明确相界面的层流。在流动过程中，试样溶液中的疏水性化合物通过扩散越过两相界面，进入有机溶剂相而实现液液萃取。由于相转移的距离很短（通道宽度＜200μm)，相转移的速率快、效率高，只需几毫秒即可完成萃取分离和测定。图25-20(a)是集成在芯片上的蠕动型气动微泵的示意图。它由三层结构所组成，上层为用来控制泵运行的若干气体微通道，下层为一条充有将被驱动流体的微通道，它与所有上层气体微通道均垂直交叉（图25-20(b)为气体微通道与液体微通道交叉区域液体微通道的横截面）。上、下层片基之间夹有一弹性PDMS薄膜，它们是流体驱动的执行部分。当压缩气体进入气体微通道Gl,G2,G3，顺序压迫液体通道上的PDMS薄膜时（类似常规蠕动泵的泵头转动时轴辊依次挤压弹性泵管），薄膜下陷压迫液体通道内的溶液向前运动。采用外置或焦成式微泵驱动的特点是液流的流量稳定，且流量容易调节。但是设备比较复杂，产生的液流有脉动，难以在复杂的多流路通道网络中进行复杂的液流调控。

电渗驱动是基于通道表面与电解质溶液相接触的界面存在表面双电层，在电场作用下产生电渗流现象而实施流体的驱动与控制。对于玻璃通道来说，由于硅醇基的解离，在通道表面具有大量带负电的硅氧基点位，而在溶液一侧的紧密层和扩散层中则聚集了带正电的H+，在直流电场的作用下，当水化的H＋向负极迁移时，牵引着通道中的溶液整体向负极移动，形成了电渗流。通过调节外加电场的方向和大小，以及控制通道内缓冲溶液的pH和浓度等化学条件，可以控制电渗流的大小与方向。

现以微流控分析最为常见的十字通道芯片毛细管电泳系统，如图25-21(a)所示的进样和分离为例，说明电渗驱动的控制方法。短通道为试样通道，长通道为分离通道，两者的交叉口实为一简易的采样环；与通道相连的储液池（(1-4)中分别储有试样溶液（1)和分离缓冲溶液（2,3,4)。试样通道和分离通道中也都充有分离缓冲溶液。先在试样通道施加电压（如储液池1为+500V，储液池2为0V)，在电渗流的作用下，试样从1经十字交叉口流向2；然后将电压切换到分离通道（如储液池3为1500V，储液池4为0V)，储存在十字交叉口处的一段试样溶液在电渗流的推动下进入分离通道进行分离，组分经过检测点D时，检测到组分的电泳谱图。

电渗驱动的特点是设备简单；溶液的流速和方向容易控制，可以按分析任务的需要，设计出多路高压电源，完成较为复杂的液流汇合、分流等任务；液流平稳，没有脉动。但是，电渗驱动易受通道表面的性质和状态影响，长时间运行的稳定性欠佳。

三 微混合、反应和分离系统

微流控分析系统中，待测物质（或其衍生物）进入检测器前所需的混合、反应、分离等过程是在芯片的通道网络中完成的。为适应不同的分析任务，人们设计、加工了各种各样的通道构型。对于芯片毛细管电泳，分离所需的毛细管就是一条通道。对于均相化学反应，可以使试剂和试样通过Y形通道汇合后，在通道内混合、反应。然而，由于通道的深、宽度都很小，液流处于层流状态，在有限的长度内，难以达到充分的混合，因此反应产率不高。

为解决这个问题，可将微混合一反应器通道设计成透巡形，以扰乱层流，提高产率。例如将混合通道设计成如图25-23所示构型。图中右边Y形通道汇合后（尚未充分混合）的试剂和试样区带溶液进人混合器后，一部分溶液沿路径较长的反W形的主通道流过，另一部分溶液则经接在主通道之间的短水平细通道进入下一段主通道。由于路径长度的不同，促进了试样区带和试剂的混合，经过三个拐弯，试样和试剂达到了充分的混合。对于蛋白质的酶解反应，往往可以将酶直接固定在一段通道的内壁，形成开口式固相反应器。当蛋白质溶液流经反应器或在其中短暂停留时，由于通道的横截面积很小，通道的内部的表面积／容积比很大，溶液中的待测物质可以较快地扩散到通道内表面，在液固表面发生酶解反应；对于微固相萃取或色谱分离，为了提高液固接触面积，可以在通道内部加工许多有序排列的微型小墩「图25-23(a)]，形成非常规则的柱床，再在柱床表面修饰具有一定官能团的分子层，形成固定相。通过上述几种典型的混合、反应和分离实例可以看出，通过MEMS技术，可以在芯片上加工出各种各样的混合、反应、稀释、浓缩和分离单元，形成一个具有多种功能的高度集成化的通道网络系统，用于完成较为复杂的分析任务。这一优势，是常规流动分析系统所难以达到的。