上海弗鲁奇生物科技有限公司-生物微流控芯片

生物微流控芯片

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定义与核心原理：“芯片上的实验室”

什么是生物微流控芯片 (LOC)？

一种将生物/化学分析的样品制备、反应、分离、检测等基本单元，高度集成到仅几平方厘米的芯片上的微型化、自动化分析系统。

微尺度流体精准操控

利用微米通道内的层流特性，实现纳升/皮升级别微量液体的精准混合与反应控制。

多功能单元高度集成

通过微加工技术，将泵、阀、混合器、传感器等集成在单片芯片，实现全流程自动化分析。

优异的生物相容性

选用PDMS/玻璃等材料，确保生物分子与细胞活性。

核心技术优势

微量消耗

仅需纳升或微升级别样品，极大降低成本，完美适配珍贵样本分析场景。

高通量并行

单芯片集成数千独立反应单元，实现大量样本或指标的同步并行检测。

快速高效

利用微尺度高比表面积特性，大幅加速传质，反应时间缩短至数分钟。

高度集成与自动化

将复杂的实验流程高度浓缩于方寸芯片间，显著减少人工干预，提升实验结果的重复性与准确性。

便携与现场检测 (POCT)

系统微型化设计，摆脱大型实验室设备依赖，可灵活应用于床旁即时检测及户外现场环境监测。

核心功能单元设计

微液滴生成器 (Microdroplet Generator)

利用流体剪切力将一相流体切割成均匀的微液滴，每个液滴都是独立的微反应器，广泛应用于单细胞分析、数字PCR等前沿生物医学领域。

微混合器 (Micromixer)

专门用于克服微尺度下的层流限制，通过特殊的微通道结构实现流体的快速、高效混合。

微分离器 (Microseparator)

基于过滤、电泳、惯性微流控或磁泳等物理原理，在微尺度下实现样品中不同组分的高效分离。

微阀门 (Microvalve)

核心的流体控制单元，用于精准控制微流体的通断和流向，技术上主要分为主动阀和被动阀两大类。

设计流程与材料选择

将微流控设计蓝图转化为物理芯片的全过程，涵盖严谨的五步设计法与关键材料的多维对比。

01. 需求分析

明确应用目标与核心性能指标

02. 概念设计

规划芯片整体布局与功能单元

03. CAD 绘图

绘制微米级精度的几何图案

04. 仿真模拟

CFD流体模拟优化流道设计

核心设计流程

PDMS (聚二甲基硅氧烷)

优点：光学透明 | 生物相容 | 易加工低成本

缺点：易吸附小分子，力学强度偏低

应用场景：生物医学研究、快速原型验证

玻璃 / 石英 (Glass)

优点：化学惰性强 | 热稳定好 | 表面易修饰

缺点：材料易碎，加工成本与难度较高

应用场景：高灵敏度光学检测、芯片电泳

热塑性聚合物 (Thermoplastics)

优点：注塑成型 | 成本低廉 | 适合大批量生产

缺点：表面改性难，微加工分辨率相对较低

应用场景：商业化POCT诊断、一次性耗材

纸基材料 (Paper-based)

优点：成本极低 | 便携性强 | 无需泵驱动

缺点：结构精度低，功能单元相对简单

应用场景：低成本体外诊断(IVD)、即时检测

软光刻是目前制作PDMS芯片最主流的技术，核心是利用弹性印章进行图案转移，将设计好的微结构精准复制到PDMS材料上。

核心加工技术：软光刻 (Soft Lithography)

母模制作 (Master Fabrication)

通过标准光刻工艺，在硅片基底上制作出具有凸起微结构的硬质母模（SU-8光刻胶阳模）。

01

PDMS 浇注与固化 (Casting & Curing)

将PDMS预聚物与固化剂混合后倒在母模上，真空除泡后加热使其交联固化，形成带有微通道凹槽的PDMS软模板。

02

打孔处理 (Punching Holes)

用活检打孔器在PDMS上打出流体进/出口（inlet/outlet holes），为后续流体连接做准备。

03

氧等离子体表面处理与对准

将PDMS与玻璃基底同时进行氧等离子体处理，使表面产生活性羟基，随后对准贴合。

04

不可逆键合 (Bonding)

将贴合后的芯片加热烘烤完成键合，得到密封的微流控芯片。

05

除了软光刻，还有其他适用于不同场景的微流控芯片加工技术

其他核心加工技术

光刻 (Photolithography)

核心原理：通过紫外曝光与蚀刻，将图案直接转移至硅、玻璃等硬质基底上。

主要应用：制造硬材料芯片母模，或直接加工制造硅基/玻璃基微流控芯片。

注塑成型 (Injection Molding)

核心原理：将熔融聚合物高压注入金属微模具，冷却脱模后获得微结构芯片。

主要优势：支持聚合物芯片的大批量、标准化生产，显著降低单件制造成本。

3D打印 (3D Printing)

核心原理：采用逐层累加的增材制造方式，直接构建出具有复杂三维结构的芯片。

主要优势：设计自由度极高，研发周期短，非常适合个性化定制与快速原型验证。

结构与流体性能表征

通道尺寸与形貌分析

利用光学显微镜与SEM精确测量通道宽深及粗糙度，重点关注尺寸精度(±1μm内)、均匀性及表面光滑度指标。

对芯片的物理结构和流体动力学性能进行全面测试与量化分析

流体动力学性能测试

• 压力-流量：测量压降评估流阻，建立流动模型

• 流型观测：利用PIV或荧光示踪验证混合效率

• 泄漏测试：全压力范围检查芯片键合处密封性

表面特性分析

通过接触角测量评估亲疏水性；利用Zeta电位分析表面电荷，定量评估电渗流特性。

用于芯片性能验证的各类分析工具，助力实现高精度的定性与定量检测。

常用表征技术

显微成像技术

利用光学、荧光及共聚焦显微镜，直观观察微流控芯片内部的三维结构、流体流动状态及生物样品分布。

光谱定量分析

结合紫外-可见分光光度计与荧光光谱仪，对芯片反应体系中的目标产物进行快速、高特异性的定量检测。

集成电化学检测

在芯片上集成微电极阵列，实时测量电位、电流变化，精准检测多巴胺、葡萄糖等电活性生物物质。

芯片-质谱联用技术

将微流控芯片与ESI-MS或MALDI-TOF质谱联用，实现对痕量复杂组分的高灵敏度、高通量定性与结构分析。