流動注射分析(Flow Injection Analysis,簡寫為FIA)是1974年丹麥化學家魯齊卡(Ruzicka J)和漢森(Hansen E H)提出的一種新型的連續(xù)流動分析技術。這種技術是把一定體積的試樣溶液注入到一個流動著的,非空氣間隔的試劑溶液(或水)載流中,被注入的試樣溶液流入反應盤管,形成一個區(qū)域,并與載流中的試劑混合、反應,再進入到流通檢測器進行測定分析及記錄。由于試樣溶液在嚴格控制的條件下在試劑載流中分散,因而,只要試樣溶液注射方法,在管道中存留時間、溫度和分散過程等條件相同,不要求反應達到平衡狀態(tài)就可以按照比較法,由標準溶液所繪制的工作曲線測定試樣溶液中被測物質的濃度。
特征流體現(xiàn)象
流體在微流控的微通道中的行為與其在宏觀尺度通道中不同,這些流體行為(現(xiàn)象)不僅是微流控的重要特征和標志,還是方便、獨特的技術手段。主要的流體現(xiàn)象有層流和液滴。
層流與湍流相對應,是指流體的層狀流動,其流線與管壁相互平行。在粘性力遠遠大于慣性力,或雷諾數(shù)(Reynold number)小于3000時,層流就會出現(xiàn)。當幾相不同顏色的流體從不同的入口進入同一個微通道時,即使它們互溶,也會形成層次分明的多相平行流動。利用層流的這種幾何規(guī)律性,可以實現(xiàn)材料、化學環(huán)境和細胞在微通道中的有序排布。另外,在層流情況下,湍流基本消失,分子擴散將成為微尺度下傳質的主要途徑。由于擴散速率與分子自身的特性有關,利用分子在微通道中的不同擴散距離可以將不同的分子進行分離。也因為如此,層流下的液體混合過程相對緩慢,但是,通過在微流控微通道中制作特殊結構,如不對稱魚骨狀的突起,可以加快傳質過程和液體混合。
當兩相不互溶的液體(油和水)在微流控通道中流動時,在液/液界面張力和剪切力的作用下,其中一相流體會形成高度均一的間斷流,即液滴。在乳液制備的方法中,如果說基于攪拌的方法是自上而下的,那么微流控則是自下而上的方法。微流控能夠以非常高的通量制備高度單分散性的液滴乳液。常見的微通道結構為T型和ψ型。在某些情況下,含有不同高分子聚合物的水相液體在微流控通道中也會形成不互溶的液滴。
制作微流控芯片的主要材料有硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和紙基等。其中PDMS的使用范圍最為廣泛。這種材料不僅加工簡單、光學透明,而且具有一定的彈性,可以制作功能性的部件,如微閥和微蠕動泵等。PDMS微閥的密度可以達到30個/cm。但是PDMS材料容易吸附疏水性小分子,導致背景升高和檢測偏差。為了克服非特異性吸附的問題,表面惰性且抗黏附的聚四氟乙烯材料開始被用于制作微流控芯片。紙基通常指的具有三維交錯纖維結構的薄層材料,但是硝酸纖維素膜一般也常用于紙基微流控芯片的制作。因為紙基具有價格便宜、比表面積大和親水毛細作用力等特點,通過結合疏水性圖案化和縱向堆積等步驟,具有多元檢測和多步操作集成等優(yōu)點,非常適合制作便攜易用的微流控芯片。
不同的材料特性決定了不同的微加工方法。但是微流控芯片最主要的加工方法是來自于微電子行業(yè)的光刻技術和來自于表面圖案化的軟光刻技術。在上述兩種技術的基礎上,為了制作完整的微流控微通道,一般還需要對兩片材料進行鍵合。玻璃和硅片等材料通過高溫、高壓或高電壓等方法鍵合,而PDMS材料通過氧等離子處理進行鍵合。
除了有機合成、微反應器和化學分析等,微流控技術在生物醫(yī)學領域發(fā)揮了越來越重要的作用。目前,兩個重要的應用方向是臨床診斷儀器和體外仿生模型。
微流控檢測芯片一般具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點,因此特別適合發(fā)展床邊(POC)診斷,具有簡化診斷流程、提高醫(yī)療結果的巨大潛力。
利用仿生微結構和水凝膠等生物材料,微流控芯片非常適合在體外實現(xiàn)組織和器官水平的生理功能,被稱為“器官芯片”(Organs-on-Chips)。這樣可以彌補傳統(tǒng)兩維細胞培養(yǎng)和動物實驗的不足,可以動態(tài)操控和實時觀察重要的生理病理過程,提高疾病的研究水平和藥物的研發(fā)效率。目前已經針對肺、腸、心、腎和骨髓等器官的重要特征建立了相應的微流控體外仿生芯片。在組織和器官水平研究單個基因或信號通路的功能已經成為系統(tǒng)生物學研究不可或缺的重要步驟。