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垦拓“芯”发现 | 微流控芯片的重要组成
在生物、化学与医学研究的前沿,一场静默的革命正悄然展开——微流控技术。它并非凭空而来,而是为了解决传统实验室方法中那些日益凸显的瓶颈。
想象一下:宝贵的生物样本在毫升级别的试管中被反复转移、稀释,每一次操作都伴随着损失和污染的风险;昂贵试剂在宏大的反应体系中大量消耗;复杂的实验流程需要专业人员在仪器间来回奔波,耗时费力且极易出错;动物实验的伦理问题,这些痛点正是微流控芯片诞生的强大驱动力。


结构与功能: 芯片上通过精密加工(如光刻、激光烧蚀、注塑等)形成的复杂沟道网络。它们是流体(样品、试剂、缓冲液)传输、混合、反应和分离的核心路径,尺寸通常在十至数百微米之间。

材料: 常用材料包括硅、玻璃、聚合物(如PDMS、PMMA、PC)和纸基材料。选择取决于应用需求(如光学透明度、生物相容性、成本、加工难易度)。

痛点解决: 替代宏大的试管、烧杯和连接管路,极大减少样品和试剂消耗(微升至纳升级)显著缩短扩散距离和反应时间提高反应效率和分析速度

结构与功能: 提供流体流动所需的动力,并精确控制流速、流向和时序。

常见方式包括:

  • 微泵:产生流体驱动力;

  • 微阀:控制流体的通断、切换和分配;

  • 驱动源: 外部压力源(注射泵、真空泵)、电场(电渗流)、离心力场、毛细力等。

注:垦拓支持阀泵模块及系统集成定制。

痛点解决:实现流体操控的自动化与程序化减少人工操作步骤和人为误差提供高度可重复的流体控制为复杂多步反应集成提供基础

结构与功能: 在微型空间里,流体通常呈层流状态,分子扩散是主要混合机制,速度慢。微混合器设计特殊结构(如蛇形通道、障碍物、混沌对流结构、声波/电动力扰动)来增强混合效果。

痛点解决:加速试剂与样品的混合确保反应的均一性和充分性克服微尺度层流导致的混合困难提升反应效率和检测灵敏度

结构与功能: 芯片上设计的特定区域,用于容纳流体进行孵育、化学反应、类器官、细胞培养、核酸扩增(如微流控PCR)等。其形状、体积和表面性质可根据特定反应优化。

痛点解决:提供受控的微反应环境(温度、时间),精确控制反应物浓度和体积实现高通量并行反应(多腔室阵列),特别适合珍贵/微量样品分析

结构与功能: 用于在芯片上分离不同组分(如细胞、蛋白质、DNA片段)。

常见技术包括:

  • 微电泳: 利用电场分离带电分子。

  • 微色谱: 在微通道内填充或修饰固定相进行分离。

  • 介电泳: 利用非均匀电场分离颗粒/细胞。

  • 确定性侧向位移: 利用微柱阵列按大小分离细胞/颗粒。

  • 过滤结构: 物理筛分。

     

痛点解决:将分离步骤集成到芯片上减少样品转移损失和污染风险实现快速、高效的组分分离和富集提高后续检测的灵敏度和特异性

结构与功能: 集成在芯片上或与芯片联用的器件,用于实时或终点检测反应结果。

常用方法包括:

  • 光学检测: 荧光、吸光度、化学发光、表面等离子体共振(SPR)。常需集成波导、透镜或直接利用显微镜/CCD。

  • 电化学检测: 安培法、伏安法、阻抗谱。集成微电极进行检测。

  • 质谱接口: 将芯片流出物导入质谱仪。

     

痛点解决:实现原位、实时检测提高检测通量和速度减少样品处理步骤降低检测下限(因检测体积小、信号富集),推动便携式、即时检测设备的发展

结构与功能: 包括流体接口(连接外部泵、阀、样品/试剂储液池和废液池)和电学接口(连接外部电极、检测器、控制器)。设计需保证密封性、低死体积和易操作性(如标准接口、穿刺式接口)。

痛点解决:实现芯片与宏观世界的可靠连接确保流体和信号的稳定输入输出影响系统的易用性和可靠性

微流控芯片的价值,正是源于其解决传统实验室痛点的强大能力:

痛点:珍贵样本消耗殆尽? 微流控:纳升消耗,让微量样本分析成为可能。

痛点:昂贵试剂成本高昂? 微流控:微量试剂,大幅降低实验成本。

痛点:实验流程漫长? 微流控:高效混合与传质集成化流程,显著缩短分析时间(分钟级 vs 小时/天级)。

痛点:操作繁琐易错? 微流控:自动化操控减少人工干预提高实验重复性和准确性

痛点:大型设备不便携? 微流控:芯片小型化,为开发便携式、床旁诊断设备奠定基础。

痛点:高通量分析困难? 微流控:易于并行化(多通道/腔室阵列),实现高通量筛选与分析

痛点:多步骤操作样本易损失污染? 微流控:集成“样品进-结果出”封闭系统减少损失与污染风险。

微流控芯片的核心组件——从精密的微通道到集成的检测器——共同构筑了一个微尺度上的高效、智能的“片上实验室”。它并非简单的尺寸缩小,而是通过解决传统实验方法的深层痛点(高消耗、低效率、大误差、难集成、非便携),为生命科学、精准医疗、环境监测、药物开发等领域带来了革命性的变革。
垦拓始终与客户保持深度合作,深刻理解其在应用场景中的痛点及对便携化的需求。基于此,垦拓前瞻性地布局微流控芯片技术领域,历经十余年技术探索和经验沉淀。从概念设计到成熟量产,垦拓持续投入:斥资数千万引进国内外尖端制造设备,并向全球汇聚优质人才,成功掌握先进工艺与生产资质。
随着材料科学、微纳加工技术和检测方法的持续进步,微流控芯片的组成将更加精密,功能更加强大,其作为“未来实验室”核心平台的地位也将愈发不可撼动,持续推动着分析科学向更快速、更灵敏、更便捷、更智能的方向发展。
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