1. 离子浓差极化（ICP）简介
离子浓差极化（Ion Concentration Polarization, ICP）作为一种有效的分离和富集手段，已广泛应用于微流控芯片中。集成ICP功能的微流控芯片具备高效、快速、低样品消耗和广泛适用性等优点。
ICP是一种在外加电场作用下发生于微纳交界面的电动传输现象。以负电荷样本粒子为例，当微米通道与纳米通道连接时，由于纳米通道的双电层重叠且表面带有负电荷，纳米通道表现出阳离子选择性。
在外加电场的驱动下，阳离子可以通过纳米通道，而阴离子则因强静电相互作用被排斥，导致在离子选择性膜两侧形成离子耗尽区与离子富集区。电渗流将样本带至耗尽区的边缘，从而在此处实现样本的富集。
近年来，通过微纳加工技术，将ICP所需的纳米结构与微流控所需的微米结构有机结合，构建出能够实现ICP高效富集与微流道运输一体化的微流控分析芯片，从而显著提高微流控芯片的检测灵敏度和选择性。
2. 微流控ICP芯片微流道设计
微流控ICP芯片通过微纳加工技术，将ICP所需的纳米结构与微流控的微米结构有机结合，形成了高效富集与微流道运输一体化的生化分析工具。这类芯片通常由上层的微米通道和下层含有纳米结构的基底构成。
当前研究重点之一是利用微流控芯片易于集成的特点，设计和研制具有高效富集功能的ICP芯片。微米通道的形状和尺寸对芯片的富集效率起着至关重要的作用。
虽然一维I形单通道因结构简单而常用于原理分析，但其在靶标物富集范围和富集效率方面存在较大限制。相比之下，基于H形微流道设计的ICP芯片已被广泛应用于蛋白质、DNA、荧光素等带电组分的静态富集。Y形微流道设计的ICP芯片则适用于复杂样品中靶标物的流动富集或分离需求。
目前，H形和Y形微流道设计已成为ICP芯片的主流，用于样本的静态和动态富集，成为两种主要的单元结构设计。
3. 微流控ICP芯片中纳米结构的制备与设计
ICP芯片中的纳米结构制备方法包括掩膜加工法、浇筑法、自组装法、电击穿法和嵌入法等。
掩膜加工法是经典的制备方法，通过高精度图形结构掩膜版结合刻蚀技术，在基底上制作微米通道和纳米通道。常用材料已从硅片发展到玻璃、石英等高硬度材料。
然而，由于芯片键合过程中使用的阳极键合法或高温键合法容易导致通道变形或堵塞，因此对加工和键合工艺要求较高。
浇筑法通常用于在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上制备微纳结构，而电击穿法则常用于PDMS和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料。这两种方法在加工精度上存在不足，且电击穿法加工条件苛刻、耗能高，因此逐渐减少使用。
目前，嵌入法和自组装法成为最广泛应用的纳米结构制备方法。嵌入法通过将纳米孔膜置于含有微米通道的PDMS芯片之间，实现微米与纳米结构的有机结合。
这种方法材料价格低廉、工艺简单，广泛用于多孔膜ICP芯片的制备。自组装法则通过材料的自发有序排列形成纳米结构，适用于金纳米颗粒、硅珠纳米颗粒、聚2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸等纳米材料。
自组装法方式多样，材料种类丰富，反应条件温和，是目前最具应用前景的ICP芯片制备方法之一。
在ICP芯片的微纳结构制备中，嵌入法与自组装法占据主导地位，特别是在嵌入膜材料的改性和纳米通道的原位制备方面，研究备受关注。
4. 微流控ICP芯片的富集效能优化
基于电场效应的ICP芯片在带电粒子富集方面取得了显著进展，但在富集过程中，电渗流的作用常导致富集区域难以控制，从而给靶标物的分离和定点检测等后续操作带来困难。
为了解决这一问题，有研究提出了多场耦合策略，通过将靶标物富集在指定区域来实现富集区域的可控性。最常用的方法是在微流控芯片中利用流体动力学反压力来抵消电渗流的推力，从而精确调节富集区域。
此外，通过设计和集成阀门来调控富集效果，也是实现ICP富集区域定位和提高富集效率的有效手段。尽管阀门设计具有较强的可控性，能够有效分离、富集和提取混合靶标物，但它也使ICP芯片的结构和外围设备变得更为复杂，操作流程更加繁琐。
5. 微流控ICP芯片在生化分析中的应用
在过去十年中，ICP效应因其高效、快速富集的优势，已被广泛应用于快速高效生物传感器的开发中。基于此构建的微流控ICP芯片能够应用于多种目标分析物的检测，包括细胞、蛋白质、核酸、小分子以及无机离子等。
1) 小分子和无机离子
由于小分子的尺度较小，在常规大体系环境中与其真实环境存在差异，而微流控芯片的微纳尺度恰好契合了小分子的应用需求。结合ICP的高效富集优势，可以满足富集、分离和检测等应用要求。有学者将ICP与液滴发生器结合，开发出一种芯片，能够在1小时内将1μmol/L的荧光素钠浓缩至100倍。
2) 核酸
DNA和RNA具有特异性序列，在临床医疗中存在特定的因果联系，因此对它们的高效检测对病理研究和临床诊断至关重要。研究人员设计了一种微流控ICP芯片，通过拉曼技术检测miRNA。相比传统的磁检测芯片，这种芯片将净化时间从接近1小时缩短到不到10分钟，且检测的线性范围为1~100 pmol/L。
3) 蛋白质
蛋白质分子的定性和定量分析对于评估早期低水平病变或损害程度具有重要意义，并为临床早期预防和诊断提供了辅助依据。当前，ICP芯片在蛋白质分析中的研究重点集中于信号增强和特异性检测。通过微流控ICP芯片提高靶标物浓度，从而提升检测效率，有效解决了蛋白质分析中检测灵敏度提升的难题。
4) 细胞
将ICP分离富集模式与微流控分析技术相结合，构建的微流控ICP芯片在细胞分析领域引起了广泛关注。研究表明，ICP芯片凭借其高富集倍数和易集成化的优势，在细胞浓缩、细胞裂解物或分泌物的富集等方面展现出显著的研究价值和应用前景。
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