微流控芯片技術(shù)研究概況及其應(yīng)用進(jìn)展

余明芬， 曾洪梅， 張 樺， 邱德文＊

（1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

微流控芯片（micr ofl uidics）又稱微流控芯片實(shí)驗(yàn)室或芯片實(shí)驗(yàn)室（lab－on－a－chip，LOC），是指在一塊幾平方厘米的芯片上構(gòu)建化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室［1］。20世紀(jì)80年代末，Terry等在硅芯片上構(gòu)建了一個(gè)氣相層析裝置對(duì)空氣進(jìn)行分析，首次出現(xiàn)了微全分析系統(tǒng)的應(yīng)用［2］。20世紀(jì)90年代初，Manz等開展了芯片電泳的研究，以芯片毛細(xì)管電泳作為微流控技術(shù)的早期形式并最早提出微全分析系統(tǒng)的概念［3］。2004年美國(guó)Business 2．0雜志將芯片實(shí)驗(yàn)室列為“改變未來(lái)的七種技術(shù)之一”，2006年7月Nat ure雜志發(fā)表了一期有關(guān)“芯片實(shí)驗(yàn)室”的專輯，重點(diǎn)介紹了這一新技術(shù)［4］。當(dāng)前微流控產(chǎn)品的市場(chǎng)年遞增速率為15．5%，預(yù)計(jì)2014年的市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)30億美元［5］。

微流控技術(shù)因其所需樣品體積小、檢測(cè)效率高、使用成本低且易于和其他技術(shù)設(shè)備集成，具有良好的兼容性、有望實(shí)現(xiàn)便攜式檢測(cè)裝置等特點(diǎn)［6］，吸引了眾多研究者的關(guān)注。微流控芯片制作涉及材料的選擇、加工、封接、表面處理、集成、檢測(cè)等關(guān)鍵步驟。目前微流控芯片主要應(yīng)用于遺傳和單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)研究、細(xì)胞遷移、藥物篩選、干細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)等［7－14］，這些應(yīng)用大多集中在醫(yī)學(xué)，在農(nóng)業(yè)、食品方面的應(yīng)用起步較晚且處于萌芽期［15］。本文從微流控芯片相關(guān)概念和技術(shù)出發(fā)，對(duì)該技術(shù)在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和食品方面的應(yīng)用做一綜述，簡(jiǎn)要分析微流控技術(shù)發(fā)展方向，并就其前景進(jìn)行展望。

1 微流控芯片相關(guān)概念

與微流控技術(shù)相關(guān)的概念有微流控芯片、微陣列芯片、生物芯片、微全分析系統(tǒng)（micr o total analysis system，μ－TAS）等概念，這些概念包含的內(nèi)容既有區(qū)別又有聯(lián)系。

微流控通常被定義為在幾微米至幾百微米的通道內(nèi)對(duì)小體積（10－9～10－18L）的液體樣品進(jìn)行處理或操作的一門系統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)［16］。微流控也稱為微流控芯片（microfluidics）或芯片實(shí)驗(yàn)室（lab－on－a－chip，LOC），是指在一塊幾平方厘米的芯片上構(gòu)建化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室。它把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)、細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等操作單元集成到一塊芯片上，通過(guò)微通道形成網(wǎng)絡(luò)，用可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室的各種功能［1］。圖1為不同用途的微流控芯片。

圖1 不同用途的微流控芯片F(xiàn)ig．1 Microfluidics for different purposes

微陣列芯片是指一種將多個(gè)相同或基本相同的操作單元或單元群平行地集成在同一芯片上，其基本特征是高通量。如果操作單元或單元群之間有流體連通，這樣的微陣列芯片往往就是集成的微流控芯片，如果操作單元或單元群之間沒有流體連通，這樣的芯片就不是微流控意義上的微陣列。生物芯片一般是指將已知的生物信息（如DNA核酸序列）固定在載體上，47通過(guò)樣品中待分析物與基片上已知的生物信息進(jìn)行特異性結(jié)合來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)。它是一種不含微通道，沒有液體流動(dòng)，以生物分子間的靜態(tài)雜交和高密度點(diǎn)陣為特征的芯片，也可稱為雜交點(diǎn)陣芯片。雖然微流控芯片也能有靜態(tài)雜交反應(yīng)單元，但靜態(tài)雜交反應(yīng)并非微流控芯片所含操作單元的全部。微全分析系統(tǒng)（μ－TAS）是以樣品分析為最終目標(biāo)的一類微流控芯片的統(tǒng)稱，該系統(tǒng)尺寸微小，可以將分析化學(xué)領(lǐng)域廣泛采用的樣品預(yù)處理、分離和檢測(cè)等各種操作單元進(jìn)行有效集成，是微流控芯片的一個(gè)類別［4］。

從概念上可知，微流控芯片技術(shù)的本質(zhì)特征是要有液體將各個(gè)單元連通，通過(guò)對(duì)液體的操作、處理來(lái)達(dá)到不同的目的。雖然各概念之間存在差異，但在實(shí)際的研究和應(yīng)用當(dāng)中，各概念所涉及的技術(shù)往往是相互交叉的，例如生物芯片可單獨(dú)使用也可作為微流控芯片的一種檢測(cè)技術(shù)。

2 微流控芯片制作方法

微流控芯片制作涉及芯片材料的選擇、加工、封接、表面處理以及與其他裝置的集成等多個(gè)環(huán)節(jié)，在此就其主要技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2．1 材料和制作方法

制作微流控芯片常用的材料是PDMS［21］，又稱硅橡膠，具有較好的延展性、化學(xué)熱穩(wěn)定性及生物兼容性；對(duì)于生物和醫(yī)學(xué)來(lái)說(shuō)，PDMS具有高保真性、良好的光學(xué)透明度、固化溫度低且無(wú)毒，因此細(xì)胞可以直接在上面進(jìn)行培養(yǎng)；可用傳統(tǒng)表面改性方法（UV或氧等離子體）進(jìn)行表面修飾［22］。另外一些常用材料有硅片（化學(xué)濕蝕刻）、玻璃（化學(xué)蝕刻）和熱塑性塑料（熱壓成型、注塑成型）［23］。

目前流行的加工方法有軟光刻和激光燒蝕技術(shù)。相對(duì)傳統(tǒng)光刻技術(shù)，軟光刻更加靈活；在曲面基板上也能制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，這對(duì)微流控芯片來(lái)說(shuō)非常重要；所需設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需特殊實(shí)驗(yàn)室，并可應(yīng)用于多種材料（如PDMS、玻璃、陶瓷等）；最重要的是在大規(guī)模生產(chǎn)中成本較傳統(tǒng)光刻法低［24］。另一種加工微流控芯片的方法是激光燒蝕，該方法利用UV或紅外CO2激光器來(lái)燒蝕聚合物［25］。該方法對(duì)掩膜依賴小，制作出的芯片受熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，靈活性高，但該方法生產(chǎn)效率低，一次只能制作一個(gè)芯片且需要標(biāo)準(zhǔn)激光實(shí)驗(yàn)室，成本較高。

隨著微通道尺寸的縮小，流體和固體表面的相互作用不容忽視。在微米或納米通道內(nèi)，表面張力和黏滯力占主導(dǎo)地位，同時(shí)毛細(xì)管力對(duì)幾何界面特性也非常敏感。這些改變對(duì)微通道內(nèi)液體的流動(dòng)特征影響很大，通過(guò)表面改性可提高通道表面穩(wěn)定性，減少目標(biāo)物與通道表面的相互作用。表面改性方法有多種，依改性劑作用方式可分為靜態(tài)改性和動(dòng)態(tài)改性［24，26］。

2．2 檢測(cè)方法

微流控芯片的檢測(cè)方法主要有毛細(xì)管電泳（CGE）、雜交檢測(cè)、免疫檢測(cè)和電化學(xué)檢測(cè)。

毛細(xì)管電泳是一個(gè)歷史悠久且常用的檢測(cè)方法，該方法已在芯片上進(jìn)行了集中而廣泛的研究。標(biāo)準(zhǔn)的毛細(xì)管電泳微流控裝置可以被直接改造成PCR－CGE整合平臺(tái)，即芯片PCR之后擴(kuò)增產(chǎn)物直接注入CGE分離通道內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)［27］，以達(dá)到提高檢測(cè)靈敏度和分析速率、減少試劑污染的目的。

基于微流控芯片的DNA雜交檢測(cè)是基因組分析中應(yīng)用廣泛的檢測(cè)技術(shù)。通常PCR之前要進(jìn)行樣品制備過(guò)程，緊接著將待擴(kuò)增的基因序列與寡核苷酸探針（基因陣列）雜交，使待擴(kuò)增基因序列固定在載體上。傳統(tǒng)雜交方法相對(duì)較慢并且需要人工轉(zhuǎn)移液體，也需要較多的試劑和較大的樣品體積。將PCR片段與固定的DNA探針高度集中，通過(guò)提高雜交率可以解決上述不足［28］。在微流控芯片上將免疫測(cè)定與上游的PCR整合對(duì)人體體液中游離核酸檢測(cè)具有很大的潛力，特別是在醫(yī)學(xué)上對(duì)病原菌的快速檢測(cè)［29］。

電化學(xué)檢測(cè)由于其體積較小，與高壓電源一起可制成便攜式分析儀，加之有電化學(xué)響應(yīng)的物質(zhì)很多，所以在芯片中的應(yīng)用前景廣闊。目前，在集成式PCR微流控芯片中，大多數(shù)有關(guān)PCR之后的檢測(cè)都是采用激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)，此外還有電化學(xué)、質(zhì)譜、紫外、化學(xué)發(fā)光和傳感器等。光學(xué)系統(tǒng)因其難以小型化到一個(gè)微流控芯片平臺(tái)上，而且芯片上需要對(duì)光學(xué)和微流控裝置進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整，同時(shí)所需的尺寸限制了某些應(yīng)用。近年來(lái)，半導(dǎo)體激光器和光電放大器體積的縮小、短波長(zhǎng)二極管激光器的出現(xiàn)、發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)等為熒光檢測(cè)器的微型化提供了有利條件［28，30］。

3 微流控芯片在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、食品領(lǐng)域的應(yīng)用

微流控芯片不僅是一門科學(xué)也是一門技術(shù)。理論上，微流控芯片技術(shù)可用于任何涉及流體的科學(xué)，其中最直接的應(yīng)用是化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)，目前其應(yīng)用涉及疾病診斷、藥物篩選、法醫(yī)鑒定、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等人類生活的方方面面。

3．1 醫(yī)學(xué)

在醫(yī)學(xué)方面，通過(guò)利用微流控芯片在速率和準(zhǔn)確率方面的優(yōu)點(diǎn)，可大大降低醫(yī)學(xué)診斷和藥物篩選成本。目前，研究者已將其運(yùn)用在癌癥的研究方面，以期為人類早日攻克癌癥提供技術(shù)支持。Ziober等開發(fā)了用于空腔鱗狀細(xì)胞癌（OSCC）篩查和診斷的芯片實(shí)驗(yàn)室，而且運(yùn)用類似的方法也可以對(duì)其他癌癥進(jìn)行早期篩查［31］。Zió?kowska等制作了一種微流控芯片對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)期的培養(yǎng)，并施以不同頻率、不同濃度的抗癌藥物后觀察細(xì)胞的變化，以此來(lái)評(píng)價(jià)抗癌藥物的活性。相對(duì)其他可行的分析方法來(lái)說(shuō)，該方法不需要停止細(xì)胞培養(yǎng)就可以對(duì)腫瘤藥物響應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)并對(duì)響應(yīng)濃度進(jìn)行定量測(cè)定。在類似體內(nèi)的微流控環(huán)境下，微系統(tǒng)對(duì)以細(xì)胞為基礎(chǔ)的研究來(lái)說(shuō)是一個(gè)理想的方法［32］。

目前典型的研究工作是以現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)（pointof－care，POC）為代表的微流控芯片診斷。Chin等開發(fā)了一種POC裝置用于傳染病的早期檢測(cè)。該裝置可忠實(shí)地復(fù)制酶聯(lián)免疫吸附法的所有步驟，不僅可以用1μL未處理的全血進(jìn)行HIV的診斷，也可以對(duì)HIV和梅毒進(jìn)行同時(shí)診斷［33］。POC檢測(cè)除了具有小型、便攜、快捷、方便等優(yōu)點(diǎn)外，其診斷范圍也廣泛，包括癌癥和許多地方病，因而適用于發(fā)達(dá)國(guó)家的家庭和發(fā)展中國(guó)家的偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)，有效推動(dòng)全球健康水平的提高［19，34］。

3．2 農(nóng)業(yè)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，造成農(nóng)作物減產(chǎn)的一個(gè)重要原因就是各種病原菌導(dǎo)致的病害；在畜牧業(yè)，牲畜出現(xiàn)患病將導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和安全后果。因此，無(wú)論是種植業(yè)還是畜牧業(yè)，對(duì)相關(guān)病原體進(jìn)行跟蹤，可以進(jìn)行疾病的早期干預(yù)，有效預(yù)防病害發(fā)生。微流控芯片技術(shù)具有較低檢測(cè)閾值，可以在患病初期未顯癥之前進(jìn)行診斷，為防治節(jié)省時(shí)間，也可作為疾病預(yù)測(cè)的新技術(shù)。

3．1．4 作物

微流控技術(shù)已用于農(nóng)作物病原物檢測(cè)、作物與病原物互作研究、代謝組學(xué)及細(xì)胞工程研究等方面。

在作物病原物檢測(cè)方面，Wang等使用了一種微流控微陣列對(duì)植物中由真菌、細(xì)菌和病毒引起的病癥進(jìn)行快速識(shí)別，該裝置可在室溫條件下僅用1 f mol的DNA樣品在10 min內(nèi)獲得檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)可成功區(qū)分僅有一個(gè)堿基對(duì)差異的約260 bp大小的PCR產(chǎn)物［35］。Peng等開發(fā)了一種形似CD的微流控芯片裝置用于快速識(shí)別玉米中的病原體［36］。Huang等報(bào)道了一種PCR－CGE微流控裝置，進(jìn)行了DNA病毒和RNA病毒檢測(cè)［37］。作者實(shí)驗(yàn)室也開展了相關(guān)研究，欲將微流控芯片技術(shù)用于煙草、水稻、番茄等作物的病毒檢測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面，以提高作物管理水平。

在作物、病原物互作研究方面，Meng等在微流控裝置通道內(nèi)的腔室內(nèi)模擬植物的維管束組織，用受控的Xylell a f astidiosa細(xì)菌去侵染微流控小室，以此來(lái)研究該細(xì)菌在植物維管束組織中的侵染、移植過(guò)程［38］。在研究菌毛在該細(xì)菌侵染和移植作物維管束中的作用時(shí)，傳統(tǒng)的方法例如平板流動(dòng)腔室、原子顯微鏡和激光鑷子在獲得測(cè)量數(shù)據(jù)方面具有一定難度。Fuente等設(shè)計(jì)和制作了一種微流控芯片小室來(lái)評(píng)估從玻璃板上分離細(xì)菌細(xì)胞所必需的作用力，以此辨別兩種菌毛的類型、了解菌毛和玻璃的黏附力。此外，微流控芯片小室很容易和顯微鏡進(jìn)行整合，是與模擬植物的納米或微米結(jié)構(gòu)相組裝的有效系統(tǒng)［39］。

在作物代謝組學(xué)研究方面，F(xiàn)ouad等利用微流控芯片毛細(xì)管電泳（CE）方法從擬南芥種子中對(duì)硫代葡萄糖苷進(jìn)行了定量測(cè)定，采用熒光檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)［40］。在植物根部的生長(zhǎng)發(fā)育和生理學(xué)研究中，對(duì)受控環(huán)境條件下的細(xì)胞和亞細(xì)胞進(jìn)行分析存在限制。Guido等人設(shè)計(jì)了一種微流控芯片平臺(tái)，將其命名為Root Chip（圖2），它將擬南芥根部活細(xì)胞生長(zhǎng)和新陳代謝的成像技術(shù)與快速的環(huán)境調(diào)控技術(shù)進(jìn)行集成［41］。該裝置可對(duì)來(lái)源于多種幼苗的多種根部微環(huán)境同時(shí)進(jìn)行個(gè)性化調(diào)節(jié)，并可以對(duì)植物體亞細(xì)胞尺度下隨時(shí)間的生長(zhǎng)情況和溶質(zhì)內(nèi)的含糖水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)葡萄糖和半乳糖的遺傳編碼的熒光傳感器進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)改變小室的幾何形狀，Root Chip也可以用于其他植物物種，并促進(jìn)不同種子的根部生長(zhǎng)和新陳代謝的系統(tǒng)分析，為根部的新陳代謝和信號(hào)傳導(dǎo)研究奠定基礎(chǔ)［41］。

在植物細(xì)胞工程研究方面，Zhang等利用微流控方法在室溫條件下通過(guò)控制粒子大小分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用生物多聚物制作出了生物水凝膠微膠囊。該膠囊可用于封裝殺蟲劑或肥料并控制其釋放［42］。Ko等設(shè)計(jì)了一種微流控通道用于培養(yǎng)煙草的原生質(zhì)體，進(jìn)行植物細(xì)胞工程和細(xì)胞分析［43］。另外，微流控技術(shù)可用來(lái)進(jìn)行作物缺陷識(shí)別，例如小麥作物的缺硫和害蟲識(shí)別［36］。

3．1．2 畜牧業(yè)

微流控芯片裝置因其小型化、集成性和自動(dòng)化也已成為解決畜牧業(yè)問(wèn)題的一種新方法。

早在2006年微流控技術(shù)就已經(jīng)應(yīng)用于動(dòng)物生產(chǎn)系統(tǒng)中乳腺炎的檢測(cè)。Rodriguez等設(shè)計(jì)了一種楔形結(jié)構(gòu)的微流控芯片滑動(dòng)組件用于牛奶中的病原菌檢測(cè)和白細(xì)胞計(jì)數(shù)。將牛奶樣品與染料混合使白細(xì)胞染色，通過(guò)毛細(xì)作用使這些體細(xì)胞均勻分布在芯片上，通過(guò)熒光顯微鏡來(lái)識(shí)別染色的白細(xì)胞［44］。Lee等開發(fā)了一種生物芯片，該芯片可以對(duì)7種已知引起乳腺炎的病原菌的基因進(jìn)行DNA擴(kuò)增［45］。Di mov等也開發(fā)了一種類似的微流控裝置，該裝置結(jié)合了固相提取和基于核酸序列的擴(kuò)增（NASBA），他們用該裝置識(shí)別了低數(shù)量的大腸桿菌。通過(guò)將微流控與生物芯片相整合，可以有效提高檢測(cè)率、靈敏度和特異性，并有望在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)乳腺炎檢測(cè)和治療［46］。

圖2 Root Chip芯片［41］Fig．2 The Root Chip［41］

Bach man等設(shè)計(jì)了一種基于微流控的健康檢測(cè)裝置，該裝置以唾液為樣品來(lái)進(jìn)行疾病檢測(cè)、孕檢、荷爾蒙檢測(cè)、牲畜中毒和膿毒性咽喉炎檢測(cè)和醫(yī)學(xué)診斷并及時(shí)準(zhǔn)確地輸送藥物［47］。微流控技術(shù)也可以用于動(dòng)物中的體外受精。Wheeler等先后開發(fā)了一種微流控系統(tǒng)，它通過(guò)控制通道內(nèi)的液體和氣體的流速使精子和卵子相遇達(dá)到結(jié)合的目的［48－49］。該方法可以解決動(dòng)物在受精方面的問(wèn)題，提高受精率，可用于珍稀或?yàn)l危動(dòng)物的保護(hù)當(dāng)中。

微流控芯片技術(shù)中將微電機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）和生物系統(tǒng)相整合，形成生物微電機(jī)械系統(tǒng)（BIOMEMS），它包括封閉的通道、液源、儲(chǔ)液池和電極，該系統(tǒng)可將藥物輸送到動(dòng)物體的特定部位［50］，也能進(jìn)行DNA和細(xì)胞分析。智能疾病治療傳遞系統(tǒng)將藥物分子包裝然后運(yùn)送到動(dòng)物體的特定部位［51－52］，這將有助于降低畜牧業(yè)的用藥成本并有效管理牲畜的健康。

3．3 食品

當(dāng)前，食品安全和食品加工不僅關(guān)系到人們的日常生活，更關(guān)系到社會(huì)的穩(wěn)定與發(fā)展。面臨種類繁多的安全問(wèn)題，做到快速識(shí)別與檢測(cè)，促進(jìn)食品安全與加工對(duì)相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。微流控芯片正好滿足了這一技術(shù)需求。

在食品安全方面，對(duì)食源性病原菌進(jìn)行檢測(cè)通常需要先在瓊脂糖平板上培養(yǎng)細(xì)菌，需耗費(fèi)大量時(shí)間。微流控芯片可以經(jīng)濟(jì)、有效、實(shí)時(shí)地對(duì)食物和水中的殘留物、痕量化學(xué)物質(zhì)、抗生素、病原體和毒素進(jìn)行檢測(cè)，可在數(shù)分鐘內(nèi)對(duì)食物中的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行定量檢測(cè)，其檢測(cè)范圍涵蓋田間到餐桌的全過(guò)程，包括對(duì)食品運(yùn)輸、加工、零售和售后等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的定量分析。Varshney等開發(fā)了一種微流控芯片流動(dòng)池來(lái)檢測(cè)牛肉樣品中的病原菌，該裝置上面嵌入了帶有磁納米粒子抗體結(jié)合物的黃金叉指陣列（IDA M）微電極。該裝置可在35 min之內(nèi)在牛肉樣品上檢測(cè)到低至1．2×103個(gè)大腸桿菌O157：H7細(xì)胞［53］。目前檢測(cè)肉毒桿菌神經(jīng)毒素（Bo NT）的方法是通過(guò)老鼠進(jìn)行生物測(cè)定，這種方法靈敏度高，但耗時(shí)、昂貴、低通量，并需要大量動(dòng)物。Frisk等開發(fā)了一個(gè)高靈敏度的微流控平臺(tái)，具有在溶液中重復(fù)、實(shí)時(shí)、可靠地進(jìn)行肉毒毒素檢測(cè)，其最新一代可在緩沖液中檢測(cè)到最低3 pg／mL濃度的毒素［54－55］。Li等使用帶熒光的RT－PCR微流控芯片對(duì)兩種食源性致病菌進(jìn)行了同時(shí)檢測(cè)，其樣品可在1 h之內(nèi)被成功轉(zhuǎn)錄并擴(kuò)增，其RNA濃度的檢測(cè)限為6．4×104拷貝／μL［56］，可作為食品中 RNA病毒快速檢測(cè)的一個(gè)理想平臺(tái)。

在食品加工產(chǎn)業(yè)，微流控芯片技術(shù)可以通過(guò)影響食物的微結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生新的產(chǎn)品和加工工藝，使終產(chǎn)品具有新的流變性和功能性。乳劑和泡沫是許多食品中常見的分散體［57］，如水包油型（如沙拉醬、蛋黃醬）和油包水型（如奶油、人造奶油）。在工業(yè)生產(chǎn)中大部分乳劑和泡沫是通過(guò)物理手段（混合器或均化器）將能量引入兩相中，使兩相進(jìn)行混合。通過(guò)這些手段，每單位體積引入的能量非常有限［58］。微流控芯片可以有效解決液體－液體、液體－固體之間的混合問(wèn)題，并在液滴中進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)分配，控制泡沫和乳狀液的大小和分布［59－61］。Okushi ma等使用兩個(gè)T型通道制備出水－油－水雙層乳狀液。在上游的第一個(gè)通道的內(nèi)表面是疏水的，水通過(guò)時(shí)在第一個(gè)T型處水被油包入內(nèi)部形成第一層；下游的管道是親水的，有機(jī)相液滴流入后被水包被形成第二層［62］。通過(guò)改變裝置中液體的流速和通道內(nèi)的親水特性，可以形成大小不同的液滴；通過(guò)增加通道數(shù)量，可以制備出不同層數(shù)的液滴［63］。

圖3 微流控設(shè)備上液滴形成的通道網(wǎng)絡(luò)［62］Fig．3 Dr oplet for mation in microchannel net wor ks of a micr ofluidic device［62］

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前，從田間種植到市場(chǎng)銷售直至餐桌，以農(nóng)田管理為源頭，在各個(gè)環(huán)節(jié)提供安全農(nóng)產(chǎn)品，避免有害微生物、毒素、有害化學(xué)物質(zhì)的污染仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。就分析技術(shù)而言，當(dāng)前的分析技術(shù)存在體積大、通量低、耗時(shí)長(zhǎng)等不足，如果在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到餐桌的諸多環(huán)節(jié)中進(jìn)行大量檢測(cè)將耗費(fèi)巨大人力、物力、財(cái)力。微流控芯片技術(shù)已被證明是一種重要的可用技術(shù)，具有重要的科研和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。醫(yī)學(xué)上可以進(jìn)行疾病診斷、藥物篩選，加快醫(yī)學(xué)研究的步伐；農(nóng)業(yè)上，可以對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行病害、營(yíng)養(yǎng)缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，在病害未顯癥之前可以進(jìn)行病害篩查，提前預(yù)防，減少病害發(fā)生和擴(kuò)散，降低損失；畜牧上可以進(jìn)行藥物輸送，提高治療效果，降低生產(chǎn)成本；面對(duì)食品中多樣復(fù)雜的污染源，微流控技術(shù)可以充分發(fā)揮其快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，為食品安全提供技術(shù)支持。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特征之一就是微型化和集成化。微流控芯片技術(shù)一開始就是以交叉學(xué)科的身份出現(xiàn)，因此決定了它可以與多種技術(shù)進(jìn)行集成，發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以應(yīng)對(duì)越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜的應(yīng)用需求。有研究者構(gòu)想將微流控芯片技術(shù)與納米技術(shù)結(jié)合，發(fā)揮兩者各自的特長(zhǎng)，使其在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品、醫(yī)學(xué)、航天等方面發(fā)揮更為重要的作用。

目前微流控芯片多處于研究階段，其產(chǎn)品較少。同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)生活中對(duì)微流控芯片的使用率較低、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等阻礙了微流控芯片市場(chǎng)的發(fā)展。將微流控芯片技術(shù)滲透到農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)需要工業(yè)制造方面的技術(shù)，解決在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)方面的漏洞；需要提高現(xiàn)有微流控的技術(shù)要求，改變其復(fù)雜性和價(jià)格昂貴性，使之成為一種功能性系統(tǒng)。雖然微流控技術(shù)在農(nóng)業(yè)、食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究起步較晚，但其為提高農(nóng)業(yè)和食品安全提供了新的途徑，我們有理由相信它將大有可為。

［1］ 林秉承，秦建華．微流控芯片實(shí)驗(yàn)室［M］．北京：科學(xué)出版社，2006：71－73．

［2］ Terry S C，Jer man J H，Angell J B．A gas chr o matographic air analyzer fabricated on a silicon wafer［J］．Electron Devices，IEEE Transactions on，1979，26（12）：1880－1886．

［3］ Manz A，Graber N，Wid mer H M．Miniaturized total chemical analysis systems：a novel concept for chemical sensing［J］．Sensors and Act uators B：Chemical，1990，1（1）：244－248．

［4］ 林秉承，秦建華．圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室［M］．北京：科學(xué)出版社，2008：2－3．

［5］ BCC Research．Microfluidics technology［EB／OL］．（2004）［2010－01－20］．http：∥www．bccresearch．com／report／SMC036B．ht ml．

［6］ Daw R，F(xiàn)inkelstein J．Lab on a chip［J］．Nat ure，2006，442（7101）：367－367．

［7］ Lagally E T，Scherer J R，Blazej R G，et al．Integrated portable genetic analysis microsystem for pat hogen／infectious disease detection［J］．Analytical Chemistry，2004，76（11）：3162－3170．

［8］ Blazej R G，Ku maresan P，Mat hies R A．Microfabricated biopr ocessor for integrated nanoliter－scale Sanger DNA sequencing［J］．Proceedings of the National Academy of Sciences，2006，103（19）：7240－7245．

［9］ Gao J，Yin X F，F(xiàn)ang Z L．Integration of single cell injection，cell lysis，separation and detection of intracellular constituents on a microfluidic chip［J］．Lab on a Chip，2004，4（1）：47－52．

［10］Khandurina J，Gutt man A．Bioanalysis in microfluidic devices［J］．Journal of Chromatography A，2002，943（2）：159－183．

［11］Taylor A M，Rhee S W，Jeon N L．Micr ofl uidic chambers for cell migration and neuroscience research［M］∥Minteer S P．Micr ofluidic Techniques．New Jersey：Hu mana Press，2006：167－177．

［12］Dittrich P S，Manz A．Lab－on－a－chip：micr ofl uidics in dr ug discover y［J］．Nature Reviews Dr ug Discover y，2006，5（3）：210－218．

［13］Tour ovskaia A，F(xiàn)igueroa－Masot X，F(xiàn)olch A．Differentiationon－a－chip：a micr ofl uidic platfor m for long－ter m cell cult ure st udies［J］．Lab on a Chip，2005，5（1）：14－19．

［14］Taylor A M，Rhee S W，Tu C H，et al．Microfluidic multico mpart ment device for neuroscience research［J］．Lang muir，2003，19（5）：1551－1556．

［15］Mar mir oli N，Maestri E，GullìM，et al．Met hods for detection of GMOs in f ood and feed［J］．Analytical and Bioanalytical Chemistry，2008，392（3）：369－384．

［16］Whitesides G M．The origins and the f uture of microfl uidics［J］．Nature，2006，442（7101）：368－373．

［17］Ye N，Qin J，Shi W，et al．Cell－based high content screening using an integrated micr ofl uidic device［J］．Lab on a Chip，2007，7（12）：1696－1704．

［18］Nevill J T，Cooper R，Dueck M，et al．Integrated microfluidic cell culture and lysis on a chip［J］．Lab on a Chip，2007，7（12）：1689－1695．

［19］Stroock A D，Dertinger S K W，Ajdari A，et al．Chaotic mixer for micr ochannels［J］．Science，2002，295（5555）：647－651．

［20］ Haeberle S，Zengerle R．Micr ofl uidic platfor ms for lab－ona－chip applications ［J］．Lab on a Chip，2007，7（9）：1094－1110．

［21］Quake S R，Scherer A．Fr o m micr o－to nanofabrication with soft materials［J］．Science，2000，290（5496）：1536－1540．

［22］Efi menko K，Wallace W E，Genzer J．Surface modification of Sylgard－184 poly（di methyl siloxane）net works by ultraviolet and ultraviolet／ozone treat ment［J］．Jour nal of Colloid and Interface Science，2002，254（2）：306－315．

［23］Chován T，Gutt man A．Micr ofabricated devices in biotechnolo－gy and biochemical processing［J］．Trends in Biotechnology，2002，20（3）：116－122．

［24］Skurtys O，Aguilera J M．Applications of microfluidic devices in f ood engineering［J］．Food Biophysics，2008，3（1）：1－15．

［25］Roberts M A，Rossier J S，Bercier P，et al．UV laser machined poly mer substrates for the develop mentof micr odiagnostic systems ［J］．Analytical Chemistry，1997，69（11）：2035－2042．

［26］Belder D，Lud wig M．Surface modification in microchip electr ophoresis［J］．Electr ophoresis，2003，24（21）：3595－3606．

［27］Dolnik V，Liu S，Jovanovich S．Capillary electrophoresis on microchip［J］．Electrophoresis，2000，21（1）：41－54．

［28］Chen L，Manz A，Day P J R．Total nucleic acid analysis integrated on microfl uidic devices［J］．Lab on a Chip，2007，7（11）：1413－1423．

［29］Chen Z，Mauk M G，Wang J，et al．A microfluidic system for saliva－based detection of infectious diseases［J］．Annals of the New York Academy of Sciences，2007，1098（1）：429－436．

［30］Cady N C，Stelick S，Kunnavakkam M V，et al．Real－ti me PCR detection of Listeria monocytogenes using an integrated microfluidics platfor m ［J］．Sensors and Actuators B：Chemical，2005，107（1）：332－341．

［31］Ziober B L，Mauk M G，F(xiàn)alls E M，et al．Lab－on－a－chip for oral cancer screening and diagnosis［J］．Head ＆ Neck，2008，30（1）：111－121．

［32］Zió?ko wska K，Stel machowska A，Kwapiszewski R，et al．Long－ter m t hree－di mensional cell culture and anticancer dr ug activity evaluation in a microfluidic chip ［J］．Biosensors and Bioelectronics，2013，40（1）：68－74．

［33］Chin C D，Laksanasopin T，Cheung Y K，et al．Micr ofl uidicsbased diagnostics of infectious diseases in the developing world［J］．Nature Medicine，2011，17（8）：1015－1019．

［34］Zhu H，Isik man S O，Mudanyali O，et al．Optical i maging techniques for point－of－care diagnostics［J］．Lab on a Chip，2013，13（1）：51－67．

［35］Wang L，Li P C H．Flexible microarray construction and fast DNA hybridization conducted on a micr ofl uidic chip for greenhouse plant f ungal pathogen detection［J］．Journal of Agricultural and Food Che mistr y，2007，55（26）：10509－10516．

［36］Peng X Y L，Li P C H，Yu H Z，et al．Spiral microchannels on a CD for DNA hybridizations［J］．Sensors and Act uators B：Chemical，2007，128（1）：64－69．

［37］Huang F C，Liao C S，Lee G B．An integrated microfluidic chip for DNA／RNA amplification，electr ophoresis separation and on－line optical detection ［J］．Electrophoresis，2006，27（16）：3297－3305．

［38］Meng Y，Li Y，Galvani C D，et al．Upstream migration of Xylella f astidiosa via pil us－driven t witching motility［J］．Journal of Bacteriology，2005，187（16）：5560－5567．

［39］De La Fuente L，Montanes E，Meng Y，et al．Assessing adhe－sion forces of typeⅠand typeⅣpili of Xylell a f astidiosa bacteria by use of a microfluidic flow cha mber ［J］．Applied and environ mental Micr obiology，2007，73（8）：2690－2696．

［40］Fouad M，Jabasini M，Kaji N，et al．Microchip analysis of plant glucosinolates［J］．Electrophoresis，2008，29（11）：2280－2287．

［41］Gr ossmann G，Guo W J，Ehr har dt D W，et al．The Root Chip：an integrated micr ofluidic chip for plant science［J］．The Plant Cell Online，2011，23（12）：4234－4240．

［42］Zhang H，Tu mar kin E，Sullan R M A，et al．Exploring micr ofl uidic r outes to microgels of biological poly mers［J］．Macr o molecular Rapid Co mmunications，2007，28（5）：527－538．

［43］Ko J M，Ju J，Lee S H，et al．Tobacco pr otoplast culture in a polydi met hylsiloxane－based micr ofl uidic channel［J］．Pr otoplasma，2006，227（2－4）：237－240．

［44］Rodriguez R R，Galanaugh C F．Micr ofluidic chamber assembly for mastitis assay：U．S．Patent Application 12／294，037［P］．2007－03－26．

［45］Lee K H，Lee J W，Wang S W，et al．Develop mentof a novel biochip for rapid multiplex detection of seven mastitis－causing pat hogens in bovine mil k sa mples［J］．Jour nal of Veterinary Diagnostic Investigation，2008，20（4）：463－471．

［46］Di mov I K，Garcia－Cordero J L，O＇Grady J，et al．Integrated micr ofl uidic t mRNA purification and real－ti me NASBA device for molecular diagnostics［J］．Lab on a Chip，2008，8（12）：2071－2078．

［47］Bach man M，Lee A，Li G P．Micro medical－lab－on－a－chip in a lollipop as a drug delivery device and／or a health monitoring device［P］．2004－01－23．

［48］Wheeler M B，Rutledge J J，F(xiàn)ischer－Brown A，et al．Application of sexed se men technology to in vitr o embr yo pr oduction in cattle［J］．Theriogenology，2006，65（1）：219－227．

［49］Wheeler M B，Walters E M，Beebe D J．Toward culture of single gametes：the develop mentof microfluidic platfor ms for assisted reproduction［J］．Theriogenology，2007，68：S178－S189．

［50］Scott N R．Nanotechnology and ani mal healt h［J］．Revue Scientifique et Technique （Inter national Office of Epizootics），2005，24（1）：425．

［51］Meng E，Li P Y，Lo R，et al．Implantable MEMS dr ug delivery pu mps for small ani mal research ［C］∥Engineering in Medicine and Biology Society．Annual Inter national Conference of the IEEE，2009：6696－6698．

［52］Receveur R A M，Lindemans F W，de Rooij N F．Microsystem technologies for i mplantable applications［J］．Jour nal of Mi－cr o mechanics and Microengineering，2007，17（5）：R50．

［53］Varshney M，Li Y，Srinivasan B，et al．A label－free，micr ofl uidics and interdigitated array micr oelectr ode－based i mpedance biosensor in combination with nanoparticles i mmunoseparation for detection of Escherichia coli O157：H7 in f ood sa mples［J］．Sensors and Actuators B：Che mical，2007，128（1）：99－107．

［54］Frisk M L，Bert hier E，Tepp W H，et al．Bead－based microfl uidic toxin sensor integrating evaporative signal amplification［J］．Lab on a Chip，2008，8（11）：1793－1800．

［55］Frisk M L，Tepp W H，Johnson E A，et al．Self－assembled peptide monolayers as a toxin sensing mechanis m within arrayed micr ochannels［J］．Analytical Chemistr y，2009，81（7）：2760－2767．

［56］Li Y，Zhang C，Xing D．Fast identification of f oodbor ne pat hogenic vir uses using continuous－flow reverse transcription－PCR with fl uorescence detection［J］．Microfl uidics and Nanofluidics，2011，10（2）：367－380．

［57］Schubert H，Ax K，Behrend O．Product engineering of dispersed systems［J］．Trends in Food Science ＆ Technology，2003，14（1）：9－16．

［58］Karbstein H，Schubert H．Develop ments in the continuous mechanical pr oduction of oil－in－water macro－emulsions［J］．Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，1995，34（3）：205－211．

［59］Kawakatsu T，Tr?g?r dh G，Tr?g?r dh C．Production of W／O／W emulsions and S／O／W pectin microcapsules by microchannel e mulsification［J］．Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2001，189（1）：257－264．

［60］Kobayashi I，Nakaji ma M，Nabetani H，et al．Preparation of micron－scale monodisperse oil－in－water micr ospheres by microchannel emulsification［J］．Journal of the American Oil Chemists Society，2001，78（8）：797－802．

［61］van der Zwan E，Schro?n K，van Dijke K，et al．Visualization of dr oplet break－up in pre－mix membrane emulsification using microfluidic devices［J］．Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2006，277（1）：223－229．

［62］Okushi ma S，Nisisako T，Torii T，et al．Contr olled pr oduction of monodisperse double emulsions by t wo－step droplet breakup in micr ofl uidic devices［J］．Langmuir，2004，20（23）：9905－9908．

［63］Chu L Y，Utada A S，Shah R K，et al．Contr ollable monodisperse multiple emulsions ［J］．Angewandte Chemie International Edition，2007，46（47）：8970－8974．