微流控技術(shù)的基本概念

　　微流控芯片實(shí)驗(yàn)室，又稱(chēng)其為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip）或微流控芯片技術(shù)（Microfluidics）是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動(dòng)完成分析全過(guò)程。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。由于微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，流體在微流控芯片中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發(fā)展出獨(dú)特的分析產(chǎn)生的性能。

　　微流控芯片組成結(jié)構(gòu)

　　微流控芯片的結(jié)構(gòu)由具體研究和分析目的決定，設(shè)計(jì)和加工微流控芯片片基開(kāi)展微流控芯片研究的基礎(chǔ)。微流控芯片的主體結(jié)構(gòu)由上下兩層片基組成（PMMA、PDMS、玻璃等材料），包括微通道，微結(jié)構(gòu)、進(jìn)樣口，檢測(cè)窗等結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。外圍設(shè)備有蠕動(dòng)泵、微量注射泵、溫控系統(tǒng)、以及紫外、熒光、電化學(xué)、色譜等檢測(cè)部件組成。附加在微流控芯片結(jié)構(gòu)上的電器設(shè)備是微流控芯片進(jìn)行研究的必要組成部分，主要功能如驅(qū)動(dòng)和控制微流體的流動(dòng)、溫度調(diào)控、圖像采集和分析，以及自動(dòng)化控制等。

　　微流控芯片的材料

　　微流控芯片起源于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)，早期常用的材料是硅和玻璃。近年來(lái)高分子聚合物材料己經(jīng)成為微流控芯片加工的主要材料，它的種類(lèi)多、價(jià)格便宜、絕緣性好、性能指標(biāo)優(yōu)，可施加高電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速分離，加工成型方便，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

　　硅具有散熱好、強(qiáng)度大、價(jià)格適中、純度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。隨著微電子的發(fā)展，硅材料的加工技術(shù)越來(lái)越成熟，硅材料首先被用于微流控芯片的制作，因具有良好的光潔度和成熟的加工工藝，可以用于微泵、微閥和模具等器件。但是硅材料也有本身的缺點(diǎn)，例如絕緣性和透光性較差、深度刻蝕困難、硅基片的粘合成功率低等，這些影響了硅的應(yīng)用。

　　如今，玻璃己被廣泛用于制作微流控芯片，使用光刻和蝕刻技術(shù)可以將微通道網(wǎng)絡(luò)刻在玻璃材料上，它的優(yōu)點(diǎn)是有一定的強(qiáng)度、散熱性、透光性和絕緣性都比較好，很適合通常的樣品分析。

　　目前，高分子聚合物材料由于成本低、易于加工成型和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。用于加工微流控芯片的高分子聚合物材料主要有三大類(lèi)：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。聚合物大分子之間以物理力聚而成，加熱時(shí)可熔融，并能溶于適當(dāng)溶劑中。熱塑性聚合物受熱時(shí)可塑化，冷卻時(shí)則固化成型，并且可以如此反復(fù)進(jìn)行。熱塑性聚合物包括有聚酰胺（PI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯等，將它們與固化劑混合后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間固化變硬后得到微流控芯片。溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等，將它們?nèi)苡谶m當(dāng)?shù)娜軇┖螅?jīng)過(guò)緩慢的揮發(fā)溶劑而得到微流控芯片。PDMS材料因其顯著的優(yōu)勢(shì)，如成本低，使用簡(jiǎn)單，同硅片之間具有良好的粘附性，良好的化學(xué)惰性，成為一種廣泛應(yīng)用于微流控芯片領(lǐng)域的聚合物材料，在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界中的應(yīng)用極為廣泛。PDMS芯片經(jīng)軟刻蝕加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度微結(jié)構(gòu)的生成。PDMS芯片應(yīng)用在某些生物實(shí)驗(yàn)中，可以形成足夠穩(wěn)定的溫度梯度，便于反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。除此之外，由于其對(duì)可見(jiàn)光與紫外光的穿透性，使得其得以與多種光學(xué)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)聯(lián)用。更重要一點(diǎn)在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，由于PDMS的無(wú)毒特征以及透氣性，因此與其他聚合物材料相比有著不可替代的地位。

　　我國(guó)微流控芯片的發(fā)展現(xiàn)狀

　　中國(guó)在微流控分析方面的研究雖然起步較國(guó)外晚了四到五年，但在多個(gè)相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域都具有足夠的積累與優(yōu)勢(shì)，我國(guó)具有世界上最大的微流控芯片市場(chǎng)，用中國(guó)的芯片產(chǎn)品占領(lǐng)這一-市場(chǎng)是我國(guó)科學(xué)家責(zé)無(wú)旁貸的使命。

　　2015年，我國(guó)微流控芯片行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到25.7億元，比2014年同比增長(zhǎng)8.2%.2015年，我國(guó)微流控芯片行業(yè)產(chǎn)量達(dá)到692.45萬(wàn)個(gè)，比2014年同比增長(zhǎng)8.7%;需求量達(dá)到717.56萬(wàn)個(gè)，比2014年同比增長(zhǎng)8.4。

　　近年來(lái)我國(guó)微流控芯片研究取得了突破性進(jìn)展，弓|起產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。目前已涌現(xiàn)出-批在很大程度上具有不可替代性的關(guān)健性技術(shù)，并逐漸形成以生命科學(xué)為代表，覆蓋面很寬的應(yīng)用領(lǐng)域，例如最近發(fā)展起來(lái)的器官芯片、液滴微流控芯片。未來(lái)來(lái)幾年內(nèi)，如果將微流控芯片與“生物手機(jī)”、”互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)一步結(jié)合，這樣一個(gè)由一種新興技術(shù)弓|發(fā)的可能具有全局性影響的趨勢(shì)，是否能夠因此誕生--批”風(fēng)口”行業(yè)值得大家期待。

　　微流控芯片技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　?。?）基于液滴微流控的超高通量篩選技術(shù)將對(duì)新藥研發(fā)、生物工程酶的改進(jìn)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究起到關(guān)鍵的推進(jìn)作用;

　?。?）微流控技術(shù)將成為單細(xì)胞分析的核心工具，促進(jìn)單細(xì)胞基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)的發(fā)展，從單細(xì)胞層次揭示新的分子機(jī)制、信號(hào)傳導(dǎo)和代謝通路;

　?。?）以數(shù)字PCR芯片和循環(huán)腫瘤細(xì)胞CTC捕獲芯片為代表的新型“液體活檢”診斷工具，將可能突破當(dāng)前癌癥早期診斷和術(shù)后療效評(píng)估存在的技術(shù)瓶頸，成為新的癌癥診斷標(biāo)準(zhǔn);

　?。?）器官芯片和人體芯片技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，可能在芯片上構(gòu)建用于藥物研究的仿生人體，從而顯著降低當(dāng)前新藥研究成本和研發(fā)周期；

　?。?）微流控技術(shù)將在即時(shí)檢驗(yàn)中扮演著越來(lái)越關(guān)鍵的作用，在傳染病檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)察、食品安全檢測(cè)、農(nóng)殘檢測(cè)、家用醫(yī)療儀器等方面具有強(qiáng)大的市場(chǎng)前景。

　　微流控芯片的發(fā)展前景

　　微流控分析芯片最初只是作為納米技術(shù)革命的一個(gè)補(bǔ)充，在經(jīng)歷了大肆宣傳及冷落的不同時(shí)期后，最終卻實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。微流控分析芯片最初在美國(guó)被稱(chēng)為“芯片實(shí)驗(yàn)室”，在歐洲被稱(chēng)為”微整合分析芯片”，隨著材料科學(xué)、微納米加工技術(shù)和微電子學(xué)所取得的突破性進(jìn)展，微流控芯片也得到了迅速發(fā)展，但還是遠(yuǎn)不及“摩爾定律“所預(yù)測(cè)的半導(dǎo)體發(fā)展速度。

　　原則上，微流控芯片可以用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、新藥物的合成與篩選、以及食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等其他重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物分析是熱點(diǎn)。目前其應(yīng)用主要集中在核酸分離和定量、DNA 測(cè)序、基因突變和基因差異表達(dá)分析等。另外，蛋白質(zhì)的篩分在微流控芯片中也已有報(bào)道針對(duì)病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態(tài)型？基因變異的位點(diǎn)及特征等，設(shè)計(jì)和選擇合適的核酸探針，經(jīng)PCR 擴(kuò)增后檢測(cè)，就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗藥、致病、同源性、多態(tài)型、變異和表達(dá)等信息，為疾病的診斷和治療提供一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

　　國(guó)際上公認(rèn)的PCR 產(chǎn)物檢測(cè)共有五種方法，按其靈敏度高低順序排列為： 毛細(xì)管電泳法、固相雜交法、液相雜交法、高壓液相雜交法和凝膠電泳法（不推薦臨床）。微流控芯片CE 以毛細(xì)管電泳為該芯片主體，無(wú)需進(jìn)行探針雜交，受檢樣品的信號(hào)獲得率接近百分之百。微流控芯片CE 可檢測(cè)15~7500bp范圍的PCR 產(chǎn)物，分辨率可達(dá)20bp，樣品微量化使擴(kuò)散進(jìn)一步減少，分離效果極好，每孔可供多個(gè)不同的PCR 產(chǎn)物作同時(shí)分析。

　　我國(guó)在微流控分析方面的研究雖然起步較國(guó)外晚了四到五年，但在多個(gè)相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域都具有足夠的積累與優(yōu)勢(shì)，我國(guó)具有世界上最大的微流控芯片市場(chǎng)，用中國(guó)的芯片產(chǎn)品占領(lǐng)這一市場(chǎng)是我國(guó)科學(xué)家責(zé)無(wú)旁貸的使命。3月26日多名微流控領(lǐng)域的專(zhuān)家也將參加在上海舉辦的2015（第三屆）先進(jìn)體外診斷技術(shù)峰會(huì)，共同對(duì)微流控的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，對(duì)我國(guó)的微流控芯片研究領(lǐng)域進(jìn)行更多的解讀。相信經(jīng)過(guò)不懈的努力，微流控芯片蓬勃的發(fā)展在我國(guó)很快將會(huì)到來(lái)。