- 文 献 综 述
- 研究背景及意义
过去50年，人类对微观领域研究的主要成就是微电子和半导体领域，随着硅微机械加工、LIGA (Lihographie Galvanformug Abformug)以及精密制造等新兴技术的发展，微机电系统(Micro Electromechanical System，简称MEMS)特别是微流体系统成为该领域最热门的学科，其中主要用于生物、医学和分析化学的微流控技术于2004年被美国Business杂志列为21世纪“改变未来的七种技术”之一。
20世纪90年代初，A.Manz首次提出微全分析系统(mu;-TAS)概念[1]，其目标是将生物和医学等领域的样品前处理、反应和检测等基本操作单元微型化并集成到厘米级芯片上，实现常规化学或生医实验室各种检测、分析功能，因此微全分析系统又称芯片实验室(Lab on a Chip)。按结构和功能不同，芯片实验室主要包括微流控芯片和生物芯片两大类。传统的微流控芯片是基于MEMS工艺，将微传感器及微型泵和微型阀等微执行器集成到厘米级芯片上，控制流体在微通道中按一定方式流动，实现各种生物、医学和化学功能。按发展顺序，微流控芯片又有连续和数字之分，其中连续微流控芯片是指对微通道中的连续流进行操控的芯片。
由于连续微流控芯片自身存在的缺陷[2,3],近年来对电极阵列上离散微液滴进行操控的数字微流控芯片日益成为研究的重点[4]。相对连续芯片，数字微流控芯片消耗试剂量更少，耗时更短且混合更均匀；不需微泵、微阀及其他可动器件，芯片结构和控制简单，具有可重新配置和可升级的体系结构以及更灵活的操作空间；没有微流道，不易造成流体交叉污染并消除了死体积区域；通过时序控制可并行操控多个微液滴，提高了灵敏度和通量。另外，采用电渗原理的连续微流控芯片无法驱动血液和尿液[5],而数字微流控芯片可以驱动各种溶液[6]。
图1.2操控微液滴来搬运其他物质 图1.3微液滴位置控制框图
从目前的发展来看，随着MEMS技术的发展，数字微流控技术已突破其发展初期在加工技术以及微流体驱动和控制技术等方面的难关，开始在化学、生物和医学等领域展现出巨大优势并得到了广泛关注与应用。在化学领域，微流控芯片正逐渐取代传统分析化学中的实验室，微液滴越来越多地作为纳升化学的反应器或合成器，精确控制反应试剂的分子浓度和反应时间从而自动快速地完成各种复杂的化学反应，使得在分子水平研究反应或合成的过程机理成为可能。
在生物医学领域，数字微流控芯片可应用于细胞培养与操纵、药物合成与筛选、DNA中核酸系列分析和聚合酶链式反应、蛋白质结晶以及葡萄糖检测等，但该交叉学科的研究具有极大的挑战性。另外还可将数字微流控芯片用于血液和尿液等的检测，例如，将待测微或纳升血液滴分离成若干子液滴，输送到芯片不同位置发生反应，完成血常规或血液中病变细胞的并行化验与检测。
