光流体技术及其应用研究进展

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微机电系统(MEMS)被誉为二十-世纪的前瞻产业之-↑年来，随着精密制造技术的快速发展与创新，结合机械、电子、信息、物理、光学、生物、医学、化工、材料、能源等跨学科的微机电系统已成功应用于各个领域 。相对于大尺寸的系统，微机电系统是利用微流道、微阀门、微泵、微混合器、微分离器、微过滤器、微反应器、微检测器等微型化的全自动元件集中在-收稿 日期 ：2013-05.17基金项目：浙江省重大科技专项(2012C01011-3)通讯作者：傅新，教授，博士生导师。

2013年第6期 液压与气动 3合发展 ，以应用于基因及蛋白质功能的研究、药物分析、新药开发、临床检验、法学鉴定、环保安全等众多的范围。

2.1 细胞的筛选操控与分析生物体细胞内包含着许多微小分子，对生命有着息息相关的影响。细胞内不同的物质都带有不同的功能与信息，包含了细胞核、染色体、DNA、核糖体、细胞膜、蛋白质等。其中，DNA则是生物体中带有重要遗传信息的物质。蛋白质则是生命活动的承担者。这些微小分子是影响生命体整个生命周期的关键。因此，对细胞的筛选操控与分析对于生命体的重要性不言而喻，而光流体技术可为细胞的筛选操控与分析提供巨大的帮助。

Flynn等人 j首先利用微系统的微流体芯片来筛选单细胞繁殖的抗体细胞。随后 Ian等人 从理论和实验上论证了液芯光纤环谐振器在生物分子检测方面的能力，对需要控制固化生物识别分子的密度或是需要测量环形谐振器表面上的实际分子质量有极大的帮助作用。Knitle等人8 在熔融石英毛细管上，利用电位聚焦的方法来分离蛋白质。通过光化学的方法使蛋白质附在毛细管的壁面上，并将蛋白质荧光染色后用光学的方法来检测蛋白质。

光镊子是利用物镜将光源聚焦在粒子或细胞上，因为光的交互作用，当光通过物体时，光压差形成-合力去推动目标物，对物质施加了-个力的作用(图2)。

光镊子有捕捉、搬运、操控微小粒子与细胞等优点，可以用来量化极小拉力并应用于测量细胞膜的张力。

C.LiberMe等人 使用了多种细胞样本如血红细胞、粒子受到力的作用移向焦点来自物镜的光鼍粒子受到向上的力 粒子受到向下的力 粒子中心- 光学焦点口 F 激光作用力图2 光镊子在操控微粒子的示意图肿瘤细胞等测试了光学微镊子的操控和捕获微粒子的能力。Enger等人 利用光学镊子研究了-种对细胞非常准确的控制方法，可使细胞在数秒内移动到指定的目标位置，同时也研究了大肠杆菌对不同荧光物标记的响应。Neumann等人 u指出-个能量为 100 mV的光镊子，聚焦后光强度可达 1010 mW/cm ，并探究了用激光操控细胞时，细胞受到光热效应影响后的存活时间约在200～300 S。

2.2 疾病诊断与检测传染性疾病的即时性检测”能够极大地降低如禽流感、急性呼吸道症候群等致命性传染病的发餐传染扩散的概率和范围，越来越受到人们的重视，结合精密微机电制造技术的光流体技术成为疾察测与诊断的-个新型研究工具。

荧光检测法是利用特殊的波长来激发荧光粒子/细胞表面靶细胞来检测特殊的粒子/细胞样本(图3)。

Ditch等人 结合荧光显微镜和高灵敏度的光检测器对细胞或粒子作计数与分类。Holmes等人 利用荧光显微镜与 PMT的荧光检测系统及微电极，能将荧光与非荧光粒子 自动分类。Irawan等人 利用 CO激光在 PMMA光纤盒玻璃光纤上制造微流道，并结合蓝光 LED和 PMT来测量含有荧光物质的溶液，其最高的灵敏度可达0.005 g/L。Robea等人 利用微流道内部的光波导来激发荧光粒子，所产生的荧光信号配合激光捕捉粒子的方法来对荧光与非荧光粒子作分类。Simonnet等人 钊利用 PDMS微流体芯片结合三维水力聚焦来检测荧光染色的酵母菌细胞，其最高处理能力可达 17000 5"/s。Novak等人1 利用锁相放大器技术与 LED光源所建构的荧光检测系统检测经PCR复制的鸟类流感病毒 HA基因。Wolf等人l副整合微流体芯片与显微镜光学系统作为高处理能力的荧光激发细胞分类装置，处理能力能达到 12000个细激励源感光滤光片- O甲聚焦透镜 ( >收集透镜 ---～I圈整 盈躅翻 发射滤波器t探测器图 3 荧光检测示意图4 液压与气动 2013年第6期胞/s。Tung等人Ll 在微流体芯片中嵌入不同的光纤，用来检测不同激发光与散发波长的荧光粒子，能够检测出核酸染色的酵母菌。

磁珠是由磁性粒与各种含活性功能基团的材料复合而成的具有-定磁性及特殊表面结构的粒子。Choi等人L20 将光流体免疫分析应用在疾察测系统上，利用磁珠技术，接合抗体的磁珠辨识目标抗原，使用在生物分离器上。

2.3 药物研 究及输送细胞培养在新药筛淹研发过程中扮演着极其重要的角色。它不仅是研究初期实验材料的提供者，也是研究末期的成果验收者。光流体微系统作为新型的微流体系统技术 ，使得细胞生物学有了新的研究手段。

Natanel Kofin等人 利用 Su-8负光阻作为母模，注入 PDMS材料而制成光流体微系统，再放人不同氧气浓度的腔体内培养纤维母细胞，研究人类纤维母细胞在多少流速及提供多少氧气浓度下微流道的生长情况。Philip Lee等人 利用 PDMS微流管道通入胶原蛋白，利用微流体的冲刷而造成的胶原蛋白纤维化，从而制成3D细胞培养，并通过荧光染色观察胶原蛋白在微流管道中不同时间点纤维化的情况。

引起病变的主要原因之-就是基因突变而导致的蛋白质变异，而以此基因为候选药物作用靶点对治疗疾病有着重要的作用。Bostwick等人 通过基因芯片的平行检测肿瘤组织与正常组织基因表达寻找肿瘤细胞表面标志物。Vasdekis等人 提出了-种基于光学方法的光敏聚合物在囊泡内细胞内的传递。利用自组装嵌段共聚物两亲分子(即聚合物囊泡)设计出高稳定性的聚合物泡状纳米载体，再用光敏剂打乱聚合物囊泡的形态，达到了亚微米级和亚秒级的分辨率水平，实现了药物粒子在细胞内的精确输送。Ljubi-mova等人 2 在微流控芯片中利用 IVIS的光学成像系统研究了-种基于聚苹果酸的纳米共轭物对于肿瘤的靶向传递作用，并取得了良好的效果。

3 光流体技术在图像学领域的研究进展光学成像可以定义为利用光来捕捉并反映物体表面特征和结构特征。经过微机电系统和微精密制造技术的不断发展，光流体技术可以操控光在微观尺度下的行为，并逐步在图形图像学中展现出巨大的优势和广阔的应用前景。在近十年的发展中，有许多学者致力于研究微流控芯片中利用液体操纵光在微观尺度下的行为，实现宏观尺度的功能，研发出了许多光流体元器件，如光流体激光器、光流体棱镜、光开关、光流体透镜、光波导、分光器、染料激光器、光流体显微镜、便携式层析成像显微镜等 (图4、图5)。

荧光核图4 光开关 "图 5 光流体激光器过去几年也有部分研究成果已商品化∩调式液态透镜则是目前最具商品化潜力的研究重点之-。其中，飞利浦公司的研发团队 -29]利用电湿润的原理调控液态透镜的聚焦长度制作出可变焦液态透镜。此装置可用于制作 微型相机。贝尔实验 室 Rogers等人 将电湿润控制液滴技术整合到液态包覆层的光纤元件上，以两种互不相溶的流体产生的液滴置于包覆层上，利用电压控制液滴移动从而改变光纤的传输特.陛，可设计出各式电压控制的光纤调解器。

Heng等 人 基 于互 补 金 属 氧化 物 半 导 体(CMOS)图像传感器的工作机理研发了-种光流体显微镜，通过微流体通道可以获得高分辨率移动样本的二维图像。此光流体显微镜使用卤素灯与白色光的结合，来照亮微流体的通道，使之可在微通道内传递的试样进行成像，并通过线虫样本成像的试验，展现了光流体显微镜在成像上的的巨大优势。

2011年美国加州大学洛杉矶分校的 Ozcan团2013年第6期 液压与气动 5队 基于全息摄像技术研制了-种高度紧凑的便携式层析成像显微镜，利用24个独立的光纤均匀分布在以试样为中心的圆弧上，每个光纤对应接合-个发光二级管(LED)作为照明的光源，能够生成物体的三维空间界面图像，并有较好的分辨率。

4 光流体技术在新能源领域的研究进展能源问题是-个很突出的问题。虽然现在已经广泛应用丰富的太阳能和液态燃料，但是光流体技术利用流体的精确控制在小尺度上的光学系统为新能源应用提供了更大的操作空间。基于太阳能的燃料生产和基于液体的太阳辐射收集和控制系统的光流体技术将在能源领域起到举重若轻的地位。

光生物反应器是利用光合作用的微生物，如蓝藻等藻类，将光和二氧化碳转化为碳氢燃料等能源 。

目前光流体技术遇到的其中最大的-个挑战就是光在反应器中的分布量太少，如何提高光在反应器中的分布量成为需迫切解决的问题。虽然已开发出部分实用的光生物反应器，但是在反应器中光的分布量还是未能达到批量化生产和大范围应用的要求。Chen等人L3 基于光纤设计的反应器，提高了光在光生物反应器的分布量，并利用此反应器以醋酸作为碳源有机物与菌类细胞反应，提高了氢气 35%的产量。

与基于微生物光合作用制造能源的方法相区别的是L3 ，光催化和太阳能热化学是利用入射光的能量来驱动，以光为动力的燃料生产的-种反应过程。这种方法的关键是选择适当的半导体材料，如资源丰富的二氧化钛和合适的助催化剂。太阳能热化学反应能够促进新型燃料的发展，如用裂解的方法来生产氢燃料，用气化的方法来生产化石燃料，或是直接分解水得到氧气和氢气(图6)。

f1iCn入射光hvffC0州幻图6 用于燃料生产的光催化示意图5 结论经过近几年的发展，光流体技术已经从实验室试验阶段逐步开始应用到生物医药检测、光学通讯、能源开发、环境监控与检测等领域。和传统的光学技术及光学元件相比，以微流控技术为载体的光流体技术具有紧凑性、耐用性、灵活性以及低成本等优点，具有很广阔的发展前景，给未来微机电系统的发展提供了巨大的提升空间。但是，目前还有很多液体的光学性能和优点没有得到合理的重视和利用，光流体元器件在性能上还有待进-步优化和提高，同时光流体元件在设计和制造标准化上以及生产批量化上还有待加强和改进。光流体技术的商业化应用也还处于起步阶段，有很多应用领域也亟待开发。尽管如此，光流体技术由于其结合光学与流体学科的独特优势，在科研和生活生产方面正展现出欣欣向荣的发展趋势。