微流體，微米到毫米級流體的運動，控制和測量，證明越小越好。使用像人發一樣小的通道和低至幾微微升的流體量，基于微流體的系統正在影響公司如何攻擊具有挑戰性的制藥和其他生物技術問題。超小型流體系統的優勢包括能夠處理小樣品，顯著更小和更便宜的化學分析系統，以及生物技術和更傳統的電子系統在單片硅上的結合，不斷發展的芯片實驗室( LOC)。公司在硅中制造微流體系統的能力主要歸功于經過驗證的芯片光刻和處理技術。然而，這種系統需要專門的支持電子設備才能完成他們的工作。這些支持功能包括溫度控制，低級檢測電路，流體流量控制和數據管理。由此產生的LOC系統具有與最復雜的片上系統(SOC)設計相媲美或超過其復雜度的復雜性。基于微流體的LOC--用于DNA分析，植入式藥物輸送系統和化學合成的驚人芯片 - 將極大地影響醫療，化學和生物行業。

設計師使用嵌入多種材料的微流體子系統，包括石英，玻璃，塑料和硅。石英雖然相對便宜，但由于其電絕緣性能，在電泳液輸送中效果很好(見附文“納米流體轉向的底漆”)。石英對紫外線也是透明的，設計師經常使用它來吸收和檢測流體成分。硅作為微流體基板越來越受歡迎，因為它允許您在一個基板上嵌入流體控制和流體檢測電路。硅也適用于微制造技術。對于不太集成的LOC系統，相對便宜的塑料卡，如Aclara BioSciences開發的那些，正在普及。

Aclara設計的塑料卡每邊幾英寸，并帶有各種微流體通道圖案(圖1)。為了制造這些卡片，該公司使用光刻技術在硅片或玻璃母版上蝕刻所需的圖案。然后，Aclara在母模上電鍍金屬模具，并使用模具生成一次性塑料卡片。然后，注塑，壓塑或壓花從模具中制造出具有幾微米分辨率的塑料卡片。卡頂部的聚合物層密封通道。用于微流體系統的塑料超過硅的優點包括更低的成本，更少的焦耳加熱，以及電場 - 高達數百伏/厘米 - “引導”流體不會對塑料產生不利影響。

流體通道，通常50毫米深，100毫米寬，可長達數十厘米。包含卡的臺式儀器控制通道中的流體，提供外部電場，有時還提供磁場，導致電極和電滲透樣品在通道中流動。大約1kV的電場提供大約200V/cm的場梯度。通過控制電場，您可以執行流體功能，例如計量流量，注入樣品，混合，傳輸和分配卡上的多路復用樣品。將卡片滑入分析儀器中的儀器還包含用于檢測通道中物質的電路。該電路通常包括用于激發樣品的激光器和用于在激光激發下產生的熒光的檢測器。通過分析熒光與時間的關系圖，您可以獲得樣品組成的“指紋”(圖2)。

對于硅上的微流體系統，您可以使用常見的半導體蝕刻技術在硅中蝕刻通道。您還可以使用各向異性蝕刻來蝕刻通道，該蝕刻優先在側面向下蝕刻硅。這種蝕刻允許您在硅中制作比其寬度更深的通道，允許您將通道相對靠近放置(圖3)。工藝設計人員使用相同的各向異性蝕刻技術為硅微通道冷卻制作深通道(參見附文“片上流體：現在與我們一起”)。類似的蝕刻也可以產生硅“指狀物”陣列，其像刷毛一樣并且具有高的表面積與體積比。這種高比率是處理小樣品的必要條件。 Cepheid是一家基于微流體的生物技術產品開發商，為其DNA捕獲芯片制造此類設備(參考文獻1)。該公司研究了200-μm高，20-m寬的捕獲指柱，間距為334-m。

生物技術挑戰

除了在硅或其他基板材料上定義微流體結構的技術之外，開發使用這些結構的支持電子設備是一項挑戰。基于微流體的系統需要用于控制通過通道的流體流動的技術;控制流體子系統的溫度;檢測和測量微通道物質;并處理基于系統的問題，例如將桌面大小的系統縮小到手持設備，電源管理和數據管理。與SOC的情況類似，設計工具在基于微流體的系統的設計和分析中發揮著越來越重要的作用(參見附文“EDA工具緩解微流體設計負擔”)。

片上微流體運動利用電滲和電泳傳輸機制。流體輸送需要每厘米數百伏的電壓梯度。 LOC設計需要采用硅技術，允許兩個電壓在芯片上和平共存：有源電路電壓(通常為3至5V)和電動驅動電壓(可超過100V)。

OC-溫度控制也可能很復雜。某些生物技術應用可能要求您將芯片溫度控制在0.1°C以內。涉及人體生物學研究或分析的一些其他應用需要將芯片溫度固定在體溫：37°C。對于某些應用，您可能必須冷卻LOC上的生化試劑，使其低于環境溫度。此外，復雜的LOC甚至可能在同一芯片上有多個溫度區域。

一些LOC需要電光學來檢測基于流體的物質。 LOC通常采用激光誘導熒光來識別流體樣品中的物質。然后芯片使用CCD或光電二極管來檢測低水平的熒光。低照度需要高靈敏度的模擬檢測系統，以實現可靠和準確的樣品分析。

LOC還遇到了純電子芯片替代大型電子系統時常見的問題。這些問題包括電源管理要求，基于LOC設備的新手用戶的用戶界面以及基于P的數據管理。數據管理要求可能很嚴格;例如，手持式藥物組合分析系統可能每天必須處理多達100萬個樣本。數據處理要求可能包括大容量存儲和快速搜索以及加密，以確保樣本隱私保護。

直到小通道中的流體運動引起其他問題。直徑小于約100mm的流體通道導致層流體流動，這意味著液體以與通道壁相互作用引起的湍流很少流動。層流通過流體動力學方程簡化了微流體建模，提高了EDA工具建模精度。然而，層流使得流體混合更加困難，因為非層流導致湍流，這有助于合并液體流。微流體裝置的設計者使用巧妙的流體流動技術，例如在多個薄片中交錯液體通道和流體層壓，以幫助促進來自不同來源的流體混合(參考文獻2)。微流體系統的設計者也面臨著控制微通道表面張力的問題;避免微通道中的氣泡;準確測量流體流量;在通道中捕獲粒子;將流體組件(如微泵和微小流量計)集成到微流體設備中。

將微流體技術與硅片上的流量控制，溫度控制和測量電路相結合，您會得到什么?你得到LOC，這是一種融合了微流體和電子技術的SOC變體。 LOC技術將微流體結構與控制和測量電路相結合，將化學測量結果轉化為有意義的電子信號(圖4)。與大型系統相比，LOC的許多優勢與SOC相似：尺寸，更低的工作電壓，更低的功率，更容易控制的溫度，以及并行處理許多問題的能力。 LOC的另一個好處是能夠處理小樣本，這是DNA和血液分析的重要特征。

基于LOC的系統的潛力令人難以置信。基于芯片的化學實驗室的應用包括食品和水質測試;污染監測;和精確控制的單一化學反應，用于生產高純度材料。然而，LOC的未來在于生物技術，特別是在醫學領域。臨床化學，免疫診斷學，DNA篩選，基因組學和藥物只是公司開發基于LOC產品的幾個領域。在短短幾年內，您將看到快速護理血液篩查和植入式藥物分配系統的技術。想象一下，植入式芯片將監測糖尿病患者的血糖并持續將適量的胰島素直接釋放到血液中。這不是科幻小說：它是基于微流體的LOC技術。