微流控芯片光学检测系统集成化新进展

　　1　引　言

　　21世纪生命科学与信息科学的发展,要求分析科学用更低的消耗、更简便的方法和设备、更快的速度提供更准确的有关物质成分与结构的信息。20世纪90年代初由瑞士的Manz和Widmer提出的以微机电加工技术(microelectromechanical systems,MEMS)为基础的“微型全分析系统”(miniaturized totalanalysis system,或micro total analysis systems,μTAS)[1,2]正是在上述的新挑战的情况下发展起来的一项分析技术。μTAS的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化,最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中,甚至集成到微型芯片上。

　　当前微全分析系统的主流形式为微流控分析系统(Microfluidic analytical system),而微流控芯片[1](microfluidic chip)作为微流控分析系统的核心部件已发展成为μTAS中当前最活跃的领域和发展前沿。微流控芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件像集成电路一样,使它们集成在芯片材料(基片)上的微全分析系统。十多年来,人们在微流控芯片的研制中取得了很大的进展,功能各异的微型化、集成化芯片不断问世。相比之下,与微流控芯片配套的微型集成化检测系统的研制却相对落后。这是由于芯片体积小,反应通道一般只有几十微米宽,其分析试剂进样量仅为皮纳升级,而且分析检测大多在秒级内完成,因此芯片对其检测手段和装置的要求有其特殊性。虽然电化学检测器可集成在微芯片上,但当前微流控分析中应用最广泛、最有效的检测是光谱检测方法[3],其中包括荧光、分子吸收、化学发光及质谱检测。激光诱导荧光检测是其中应用较为普遍的,它虽然具有很高的灵敏度,但却远远没有达到微型化和集成化的要求。展望未来,随着半导体光电器件在芯片上集成的进一步发展,性能优越的微型化、集成化的光学检测单元将会成为主流。下面介绍几种光学检测系统的微型化方法。

　　2　使用CMOS作为微流控集成探测阵列[4]

　　微流控芯片的光学检测系统的两个最主要的组成部分就是光源和探测器,因此光学检测系统的微型化也就是光源和探测器这两个主要部件的微型化。在探测器的微型化方面,最有效和直接的方法就是把微流控芯片直接放在成像探测阵列上,CMOS[4～7]凭借其独特的优点和经济实用性而成为探测阵列的选择之一。

　　CMOS成像阵列可以直接寻址单个像素,能够改变每个像素的积分时间从而获得更灵敏的分析,由于一般来说成像阵列的大部分单元是用不到的,所以CMOS具有更短的响应时间。虽然CMOS成像阵列的横向分辨力不可能达到光学显微镜的水平,但是它们完全可以满足较大物体上的可见光光谱实验的要求。这样一个近似成像系统的最高分辨力由成像阵列上的像素大小来决定,它可以达到10μm以下。成像系统的灵敏度则取决于像素的有效区域大小,同样也取决于像素的泄漏电流。CMOS图像传感器还具备以下优点[6]:(1)集成度高,可将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、A/D转换电路、全数字接口电路等集成在一起,可实现单芯片成像系统;(2)工作电压低,功耗小;(3)更低的系统代价。