微流控技術(shù)結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用

李小龍，鄭璐璐

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

隨著微機(jī)電技術(shù)[1-2]的高速發(fā)展，掀起了微型化制造業(yè)的浪潮，多種以微型化、高靈敏性、智能化為特點(diǎn)的新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，微流控芯片技術(shù)正是誕生于該背景下的技術(shù)[3]。近年來，微流控芯片技術(shù)以其微型化、低成本、高靈敏度的特點(diǎn)，正逐漸成為當(dāng)前前沿分析領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。研究者通過將復(fù)雜的外界流體遷移過程集成到尺度僅為幾微米到幾百微米的微型腔室內(nèi)，利用電化學(xué)反應(yīng)、靜電力驅(qū)動(dòng)、氣壓力控制等多種微流體操控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部流體的精準(zhǔn)控制。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)分析、流體控制、微流控光學(xué)芯片等多種場(chǎng)合中。

近年來，光學(xué)分析檢測(cè)系統(tǒng)以其集成化、高精度、高靈敏度的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于物質(zhì)檢測(cè)分析場(chǎng)合，但傳統(tǒng)光學(xué)分析儀器存在體積龐大、價(jià)格昂貴、可調(diào)性差等諸多缺陷，并不能滿足當(dāng)前微型集成化的要求，成為了阻礙現(xiàn)代微型化光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步前進(jìn)的壁壘。在該背景基礎(chǔ)下，研究人員開始將微流控的概念應(yīng)用于微型化光開關(guān)上，從此開啟了光學(xué)系統(tǒng)微型化研究的新篇章[4]。隨著對(duì)微流控光學(xué)系統(tǒng)研究的不斷深入，微流體芯片技術(shù)與光學(xué)系統(tǒng)兩者在檢測(cè)分析、加工制造、免疫熒光分析等多領(lǐng)域進(jìn)一步加深了聯(lián)接，在科技高速發(fā)展的今天，相信未來微流控技術(shù)還將在光學(xué)系統(tǒng)中開辟出一個(gè)新的研究思路。本文對(duì)近年來微流控技術(shù)在光學(xué)系統(tǒng)中的前沿研究領(lǐng)域進(jìn)行綜述，主要闡述微流控光學(xué)器件的制造、熒光微流控生物分析以及光學(xué)檢測(cè)方法與微流控的結(jié)合等三個(gè)方面的代表性應(yīng)用領(lǐng)域。

1 各種微流控光學(xué)器件

1.1 可變焦透鏡

可變焦透鏡[5]是光學(xué)系統(tǒng)中常見的一類光學(xué)器件，常用于顯微鏡、光學(xué)刻蝕、生物檢測(cè)等諸多儀器中?；谖⒘骺匦酒拍畹目勺兘刮⑼哥R相較于傳統(tǒng)工藝加工的透鏡，具有制程工藝簡(jiǎn)單、控制精度高、光學(xué)質(zhì)量好等特點(diǎn)[6]，目前微流控可變焦透鏡根據(jù)其制造原理的不同主要分為兩類：介質(zhì)上電潤(rùn)濕（EWOD）可變焦光透鏡[7]以及壓控流體原理的可變焦光透鏡。

基于EWOD原理加工的微流控可變焦光學(xué)液滴透鏡，其原理是通過在平行平面改變介質(zhì)電勢(shì)值，從而實(shí)現(xiàn)液體透鏡焦距的變化。Kwon等[8]在研究EWOD原理基礎(chǔ)上開發(fā)了EWOD可變焦光學(xué)微透鏡的原型，如圖1所示，該透鏡主體結(jié)構(gòu)是由1 μL的小液滴以及表面為疏水層材料的電極構(gòu)成。當(dāng)下表面電極的電勢(shì)值為零即靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，小液滴表面截面形狀呈現(xiàn)拱形；當(dāng)改變電勢(shì)值時(shí)，液滴下表面疏水角隨即改變，在外加電勢(shì)作用下，該液滴透鏡的最大焦距為原始值的1.3倍，并且響應(yīng)時(shí)間僅為100 ms。該液滴接觸角與外加電壓的函數(shù)關(guān)系為

圖1 基于EWOD的可變焦據(jù)光透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the EWOD-based variable focus lens structure

式中：v為電極電壓；rlv為液體與固體的表面張力系數(shù)；c為電極介電層的單位面積電容： θv為液滴下表面三相接觸角； θ0為初始下表面接觸角。

基于EWOD原理微流控液滴透鏡因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、光學(xué)性能穩(wěn)定，目前在液體微流體芯片領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是，液體微透鏡工作條件所需的驅(qū)動(dòng)電壓仍需要達(dá)百伏以上的較高值，目前科研工作者正著眼于降低液滴微透鏡所需的驅(qū)動(dòng)電壓值，有關(guān)這方面的研究必然會(huì)成為新的熱點(diǎn)。

目前，基于壓控流體原理的光透鏡也得到了廣泛的關(guān)注，研究人員提出了一種基于流體壓力可調(diào)原理的微透鏡制造策略。該可調(diào)微透鏡主體部分由可調(diào)節(jié)液體填充透鏡以及固定透鏡兩部分組成，系統(tǒng)折射率不僅可以通過改變填充腔內(nèi)流體的折射率來實(shí)現(xiàn)，而且還可以通過改變外加氣壓進(jìn)而改變透鏡的焦距。在圓形聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性腔室內(nèi)加載具有某種折射率的液體，通過外加氣壓改變腔室膜的形狀，以構(gòu)成透鏡的凹凸性。當(dāng)外加氣壓大于大氣壓強(qiáng)時(shí)，透鏡呈現(xiàn)拱形；當(dāng)氣壓小于大氣壓強(qiáng)時(shí)，透鏡呈現(xiàn)彎月形。該微流體透鏡借助氣壓取代了EWOD微透鏡制造步驟中施加的高電勢(shì)值，不僅操作簡(jiǎn)單高效、而且重復(fù)性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2 光開關(guān)

在光纖網(wǎng)絡(luò)中，光開關(guān)[9]作為光線傳播中的中間樞紐起著重要的作用。目前，應(yīng)用微流體的光開關(guān)技術(shù)原理均基于內(nèi)部全反射原理，主要有噴墨氣泡光開關(guān)和熱毛細(xì)管光開關(guān)兩類，其中前者目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的應(yīng)用。

內(nèi)部全反射光開關(guān)[10-11]原理如圖2所示：在波導(dǎo)交叉處刻蝕一條微型通道，并向其中加載波導(dǎo)率相匹配的液體，當(dāng)兩者波導(dǎo)率保持一致時(shí)，光線可以徑直傳播，光開關(guān)保持“通”的狀態(tài)，而當(dāng)兩者波導(dǎo)率不同或是波導(dǎo)交叉處為氣泡時(shí)，光線在交叉處發(fā)生菲涅耳全反射，光線將會(huì)從另一輸出端輸出，光開關(guān)保持“關(guān)”的狀態(tài)。

圖2 內(nèi)部全反射光開關(guān)機(jī)理Fig. 2 Internal total reflection optical switch mechanism

噴墨氣泡光開關(guān)的原理：與上述過程類似，通過噴墨打印技術(shù)在波導(dǎo)交叉處進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)時(shí)加熱液體，進(jìn)而迫使液體溫度達(dá)到其沸點(diǎn)，產(chǎn)生氣泡，并且將氣泡始終保持在交叉點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)通路的控制。

商業(yè)化噴墨氣泡光開關(guān)技術(shù)發(fā)展較為成熟[12]，其交換速度已達(dá)到毫秒級(jí)別，具備低偏振敏感性、低串?dāng)_等多種優(yōu)異性能。但是，如何在“關(guān)”狀態(tài)下良好地監(jiān)測(cè)并固定氣泡所在位置，仍需要進(jìn)行不斷地探索研究。而熱毛細(xì)管光開關(guān)與噴墨氣泡光開關(guān)在原理上的區(qū)別是，將折射率不同的液體通過流體驅(qū)動(dòng)控制在交叉點(diǎn)處，因此具有更強(qiáng)的抗干擾性能。另外，因其具有便于集成化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，未來可能在大規(guī)模光開關(guān)陣列中得到較為廣泛的應(yīng)用。

1.3 微流控微型激光器

激光器是光學(xué)系統(tǒng)中的光源發(fā)生裝置，而集成化微流控激光發(fā)生裝置因其低成本、多樣化的特點(diǎn)成為了光學(xué)微流體芯片搭建的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外多個(gè)課題組正借助不同微流體材料以及芯片結(jié)構(gòu)搭建輸出穩(wěn)定波長(zhǎng)的激光器。Li等[13]構(gòu)建了一套基于微流控芯片技術(shù)的可調(diào)諧分布反饋型芯片染料激光器平臺(tái)，研制了管道截面面積僅為10 μm2且基質(zhì)材料為PDMS的微通道芯片，如圖3所示。在管道入口處加載具有高折射率的羅丹明6 G染料液，微流體通道與管道外PDMS腔室兩者集成化形成激光光路通路，同時(shí)在流體通道中設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度僅為4 mm的縱向周期排列的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其功能類似于光柵，在長(zhǎng)方體柱上方設(shè)置532 nm的脈沖激光器作為抽運(yùn)光。該研究結(jié)果表明，通過加載不同的染料可在輸出端口實(shí)現(xiàn)單模激光輸出，并且該微型化激光器的波長(zhǎng)可在±60 nm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖3 微流控光學(xué)激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of microfluidic optical laser structure

1.4 分析與展望

基于微流體技術(shù)與光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合而產(chǎn)生的微流體光學(xué)器件為現(xiàn)代化光學(xué)系統(tǒng)的微型化、集成化提供了新的思路。該類器件具有微型化、高性能、低成本、高精度等特點(diǎn)，未來可以作為微型光學(xué)器件應(yīng)用于光纖通信、光學(xué)顯微鏡、顯示器技術(shù)、全光網(wǎng)絡(luò)以及光學(xué)檢測(cè)儀器中。目前微流控光學(xué)器件的發(fā)展仍處于起步階段，仍面臨著許多挑戰(zhàn)，如檢測(cè)器件的精度、流體器件的長(zhǎng)期保存、微電子加工手段的兼容性等，但是，隨著微流控光學(xué)器件研究的深入，基于微流體技術(shù)的光學(xué)器件勢(shì)必會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

2 生物領(lǐng)域熒光分析

2.1 蛋白質(zhì)免疫檢測(cè)

蛋白質(zhì)免疫分析建立在抗原抗體之間的特異性反應(yīng)，常規(guī)的免疫分析包括直接競(jìng)爭(zhēng)、間接競(jìng)爭(zhēng)、夾心法三種類型。其測(cè)試原理均基于加載在固相載體的抗原或抗體與樣品中的反應(yīng)物發(fā)生特異性吸附，進(jìn)而達(dá)到捕獲目標(biāo)物的功能，然后通過與標(biāo)準(zhǔn)品的線性相關(guān)曲線對(duì)比即可得到待測(cè)目標(biāo)蛋白含量的動(dòng)態(tài)信息[14-16]。該原理也被廣泛應(yīng)用于微流控蛋白檢測(cè)領(lǐng)域。Deng等[16]通過微流控芯片產(chǎn)生攜帶T細(xì)胞的微液滴，然后再通過免疫捕獲微球以及熒光二抗測(cè)定蛋白的含量，如圖4所示。另外，免疫捕獲微球與熒光標(biāo)記的二抗也可以借助磁力或設(shè)計(jì)微流控篩選結(jié)構(gòu)直接固定在微流控管道內(nèi)，通過檢測(cè)捕獲的微球表面的熒光，得到樣品中目標(biāo)蛋白的含量。目前基于微流控技術(shù)并且結(jié)合免疫捕獲微球而設(shè)計(jì)的微流控免疫熒光檢測(cè)平臺(tái)已得到了廣泛的應(yīng)用。

圖4 基于液滴的微流控方法檢測(cè)分泌性細(xì)胞因子的工作流程Fig. 4 The workflow of the droplet-based microfluidic method for the detection of secreted cytokines

2.2 體外細(xì)胞培養(yǎng)模型的分析

構(gòu)建細(xì)胞體外培養(yǎng)體系是目前科研工作者從細(xì)胞層面了解生命科學(xué)現(xiàn)象的一種最為直觀的方式，目前微流控芯片已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于體外2D和3D細(xì)胞的培養(yǎng)。

微流控2D細(xì)胞的培養(yǎng)，在原理上與傳統(tǒng)體外培養(yǎng)方式類似，首先需要對(duì)芯片內(nèi)表面進(jìn)行改性，改變其親水性和極性，促使細(xì)胞能夠貼壁生長(zhǎng)。目前，最常用的修飾物質(zhì)包括多聚賴氨酸（Poly-L-lysine，PLL）、膠原蛋白等，由于PLL物質(zhì)是一種多聚陽離子化合物，而細(xì)胞膜表面呈負(fù)電位，通過芯片管道的修飾以滿足正負(fù)電荷相互吸引的條件從而使得細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)貼壁生長(zhǎng)。Gao等[17]利用0.1% PLL溶液對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)室的玻璃表面進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)了A549細(xì)胞在該環(huán)境的生長(zhǎng)，并通過細(xì)胞培養(yǎng)腔室、固相微萃取單元以及電噴霧電離飛行時(shí)間質(zhì)譜（ESIQ-TOF-MS）三者的聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)A549細(xì)胞對(duì)維生素E代謝過程的研究。

由于2D培養(yǎng)細(xì)胞方式局限于在平面內(nèi)定義細(xì)胞的功能，并不能真實(shí)地還原體內(nèi)細(xì)胞代謝分化的情況，因此3D培養(yǎng)細(xì)胞的方式成為了目前科研工作者的研究焦點(diǎn)。細(xì)胞體外3D培養(yǎng)方式首先需要在微流體腔室內(nèi)構(gòu)建適宜細(xì)胞生存的細(xì)胞外基質(zhì)，最常用的材料如基質(zhì)膠（Matrigel）、膠原蛋白（Collagen）和水凝膠（Hydrogel）等，在體外材料的作用下細(xì)胞可以很好地實(shí)現(xiàn)三維生長(zhǎng)的方式。Wu等[18]通過瓊脂糖凝膠的作用成功在體外構(gòu)建出一個(gè)模擬血管和組織間擴(kuò)散過程的三維培養(yǎng)微流控芯片，證明了細(xì)胞自噬是致使細(xì)胞量子點(diǎn)毒性的原因之一。除此以外，水凝膠也得到了廣泛的應(yīng)用，Toh等[19]通過在微流控芯片上集成微柱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了芯片上的3D細(xì)胞培養(yǎng)，并成功保持了肝細(xì)胞正常的解毒功能，如圖5所示。

圖5 模擬藥物篩選的3D微流控肝細(xì)胞芯片原理結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖Fig. 5 The principle structure and physical image of a 3D microfluidic hepatocyte chip that simulates drug screening

2.3 分析與展望

隨著微流控芯片技術(shù)在生物免疫熒光檢測(cè)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，科研人員對(duì)細(xì)胞及其他生物分子的分析實(shí)現(xiàn)了微升級(jí)甚至是更小級(jí)別的檢測(cè)，這對(duì)微流控高通量檢測(cè)有著重要的意義，同時(shí)通過微流控生物芯片的發(fā)展也進(jìn)一步促進(jìn)了生物微納系統(tǒng)的建立。目前，基于微流控系統(tǒng)對(duì)生物分子的熒光分析僅局限于對(duì)短期、靜態(tài)、宏觀水平的生物分子進(jìn)行表征，而對(duì)細(xì)胞蛋白分子的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定量熒光檢測(cè)仍面臨著很大的挑戰(zhàn)，因此發(fā)展微流控技術(shù)在生物熒光檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是極其必要的。未來在微流體芯片結(jié)構(gòu)中通過集成小型二極管激光器、信號(hào)光纖、LED或是其他微型光學(xué)器件，可以使微流控生物芯片實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)生物分子的功能。

3 不同光學(xué)特征譜檢測(cè)

3.1 拉曼檢測(cè)分析

拉曼光譜可以表征物質(zhì)分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)特征等光譜指紋信息，相較于其他光譜檢測(cè)手段，如近紅外光譜、熒光光譜、X射線光譜等分析法，拉曼光譜具備更優(yōu)異的靈敏度以及分辨率。拉曼光譜法可以通過不同結(jié)構(gòu)分子表達(dá)的拉曼位移與強(qiáng)度信息，對(duì)物質(zhì)的含量以及類別進(jìn)行半定量表示，對(duì)極性和非極性分子均具備較高的探測(cè)靈敏度，目前被廣泛應(yīng)用于固液相物質(zhì)的分析檢測(cè)。

基于微流控芯片的拉曼檢測(cè)技術(shù)適用于對(duì)微量無標(biāo)記樣本進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、含量等基本信息的定性表達(dá)，通過結(jié)合納米探針、染料標(biāo)記等技術(shù)作為微量目標(biāo)物的分析平臺(tái)。Castano等[20]將微流控芯片、光學(xué)鑷子、拉曼檢測(cè)三者集成后用于實(shí)時(shí)檢測(cè)單個(gè)紅細(xì)胞的血紅蛋白氧分子轉(zhuǎn)化過程，通過光學(xué)鑷子將單個(gè)紅細(xì)胞束縛在微流體管道內(nèi)，通過拉曼共振光譜實(shí)時(shí)檢測(cè)，使得細(xì)胞內(nèi)氧合作用與光譜信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)同步變化，為科研工作者對(duì)細(xì)胞微量分泌物的檢測(cè)提供了新的思路。黃超等[21]對(duì)紅細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)并與傳統(tǒng)檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)構(gòu)流程如圖6所示，證明了通過拉曼光譜檢測(cè)得到的正常與異常紅細(xì)胞之間的信號(hào)差異性更大，檢測(cè)靈敏性更高。

圖6 結(jié)合光鑷子的拉曼光譜儀裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the structure of the Raman spectrometer device combined with optical tweezers

3.2 折射率檢測(cè)

物質(zhì)折射率是衡量電磁波在物質(zhì)內(nèi)傳播速度快慢的物理量，其定義為電磁波在真空以及某種介質(zhì)中傳播速度的比值?；谖⒘骺丶夹g(shù)結(jié)合折射率檢測(cè)方法在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中應(yīng)用較為廣泛，通過折射率檢測(cè)手段進(jìn)行樣品物理性質(zhì)表征，適用于某些無法利用熒光光譜檢測(cè)的分析物，如蔗糖、聚乙二醇（PEG）等無熒光特性的物質(zhì)。

細(xì)胞折射率作為細(xì)胞自身的物理屬性，不同細(xì)胞的折射率隨著細(xì)胞體積的大小以及表面蛋白的多樣性而存在差異。另外細(xì)胞折射率也與細(xì)胞所處的微環(huán)境密切相關(guān)，根據(jù)細(xì)胞折射率屬性的變化可以實(shí)時(shí)檢測(cè)細(xì)胞當(dāng)前的生理狀態(tài)。Shao等[22]通過比較不同細(xì)胞之間折射率的不同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅細(xì)胞、白細(xì)胞、酵母細(xì)胞三種不同種類細(xì)胞的鑒別。Liu團(tuán)隊(duì)建立了一套小型折射率微流控檢測(cè)系統(tǒng)，該研究中通過光纖使得激光聚焦目標(biāo)物定位在單個(gè)細(xì)胞表面，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞的折射率檢測(cè)[23-25]。該芯片系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了布拉格光柵、細(xì)胞微環(huán)境調(diào)節(jié)、液滴分離三種功能的集成化，不僅實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞無損在線折射率檢測(cè)，同時(shí)也避免外界不確定因素致使細(xì)胞生理性狀改變而引起的折射率檢測(cè)數(shù)值的變化，檢測(cè)芯片結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 微流控折射率檢測(cè)芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of microfluidic refractive index detection chip structure

3.3 分析與展望

微流控光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)方法在生物分析、化學(xué)成分定量、流體分析等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，通過集成化的微流控系統(tǒng)結(jié)合光學(xué)鑷子、納米技術(shù)等技術(shù)手段，使得檢測(cè)過程能夠更加簡(jiǎn)便快速，未來可以集成其他檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步提升檢測(cè)分辨率以及信號(hào)范圍。另一方面，微流控光學(xué)檢測(cè)也可以向著微型化的方向發(fā)展，通過將光源、檢測(cè)模塊、分析單元的小型化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)體積的進(jìn)一步減小，未來作為一種芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)應(yīng)用于在線、實(shí)時(shí)分析。

4 總 結(jié)

近年來，通過與生物科學(xué)、流體物理、光學(xué)工程等多學(xué)科交叉融合，微流控技術(shù)在諸多光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮了不可替代的作用。微流體技術(shù)具備高效、簡(jiǎn)易、低成本的特點(diǎn)，將宏觀的生物反應(yīng)、加工制造、光學(xué)信號(hào)分析過程集成到微米尺度的微型空間內(nèi)，不僅為某些復(fù)雜的科學(xué)研究提供一條新的思路，而且給人們建立了從微觀角度進(jìn)行多領(lǐng)域研究的橋梁。目前微流控技術(shù)雖然被廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中，但由于其發(fā)展的時(shí)間仍然有限，目前在該領(lǐng)域的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)?；谀壳拔⒘骺丶夹g(shù)的高速發(fā)展，我們有理由相信，未來微流控技術(shù)將會(huì)與光學(xué)系統(tǒng)更加緊密結(jié)合，兩者相輔相成，在眾多科研領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。