微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到皮升)的系统所涉及的科学和技术,是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科.如今,微流控芯片相关产业的急剧增长已是不争的事实.Yole2015年的报告指出, 2015年微流控芯片产业的产值约为25.6亿美元, 到2020年将会达到59.5亿美元, 年均复合增长率高达18%,主要增长点是医/药学研究和即时诊断.而随着老龄化的到来,尤其是对于中国这样老年人口众多,医疗资源匮乏的大国,微流控芯片更是应对众多医疗健康难题的关键.

2016-2020微流控市场规模预测 Yole

什么是微流控?

        微流控芯片采用微纳加工技术在芯片上构建微流路系统,将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上.加载生物样品和反应液后,采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动,形成微流路,在芯片上进行多种生物化学反应.激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段也已经被用在微流控芯片中,从而实现对样品的快速、准确和高通量分析.近年来随着微泵,微阀的发展,更让微流控芯片实现了主动控制流量,流速以及流道开闭等功能.

 

微流控芯片发展简史

        微流控芯片的发展历史最早可以追溯到1975年,Terry等人在一块硅片上加工出了一种气相色谱芯片,能在几秒钟内对混合物进行分离.但是由于当时分离技术相对落后以及缺乏对类似器件的操作经验,整个科学界对这项划时代的工作响应寥寥.直到1990年,瑞士科学家Manz与Widmer首次提出了微全分析系统(Micro-Total Analytical System,μTAS)概念,当时这一概念是作为一种新型的化学传感器提出来的,当这个概念被提出之后,研究者们很快意识到器件尺寸的减小会带来很多的好处.自1992年开始,以毛细管电泳为主要应用对象的各种微流控芯片相继开发成功,从此科学界和产业界都纷纷介入到这一新兴领域的研发,研究者们开始对μTAS的各个相关领域进行了更加系统深入的研究,各种新方法、新工艺、新材料也不断地获得开发和应用,微流控产业才开始渐渐繁荣起来.

 

潜力巨大的微流控芯片

        微流控芯片在生物、制药、医学、临床诊断以及即时检测领域等领域有着的巨大潜力.借助微流控芯片,可以将分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程.具有体积轻巧、使用样品及试剂量少,且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点.以下就是微流控芯片的一些典型应用.

        微流控芯片的一大应用即是所谓的"片上实验室",即在微流控芯片上集成生物实验所需的各种条件.目前最典型的应用是PH值控制.通过在微流控芯片中集成离子选择性晶体管测量PH值,微流控系统就可以根据测量值,利用微阀门和微泵实时控制微腔室里的化学条件.

        用于PH值控制的微流控芯片 Welch and Christen, 2014微流控最广的应用要数床边检测(Point of Care, PoC).与硅基或者玻璃制造的微流控器件不同,用于PoC检测的微流控芯片多利用高分子聚合物制造,以便尽可能的降低成本——因为大部分用于PoC检测的芯片是一次性使用的.微流控芯片还具有快速、高通量以及消耗检材少等优势,已经广泛地应用在了妊娠检测,传染病诊断,胰岛素检测和毒品尿检等PoC检测中.

 

用于PoC检测中的微流控芯片

        在新药研发领域,最重要的一点是缩短药物的作用路径.很简单的例子,静脉注射通常比肌肉注射见效快,而肌肉注射往往又快于口服.但注射需要专业的医护人员,且有痛苦,通常不是人们首选的方式.微流控芯片则可能改变这一状况.通过微针阵列可以实现微创给药,既提高了药物吸收效率,又能够减轻传统注射方式的痛苦.

 

用于给药的微针阵列

        生物研究中,在一片微小区域内利用不同条件培养和筛选细胞,一直是很多生物学家的梦想.微流控芯片由于能够精确的控制流体条件,有希望将这一梦想变为现实.借助于微流控芯片,生物学家可以更快速的寻找到细胞培养的最佳生长条件,细胞与培养环境的相互作用等,更精确地研究细胞行为.

        生物实验中,化学物质的浓度梯度通常是一个非常重要的实验参数.微流控芯片可以方便地产生出人们需要的浓度梯度.因微流控芯片尺寸通常在微米量级,在这个尺度下,液体流动呈现层流状态,相邻液体不会轻易混合,而是通过扩散方式渐渐融为一体,由此就形成了稳定的浓度梯度.而通过控制注入物质的浓度差,还可以控制所需梯度的大小.