微流控平臺

微流控技術(shù)（Microfluidics）是一種用來操縱極微量液體（10^-9~10^-18L）的新型技術(shù)平臺。微流控分析是以微管道為網(wǎng)絡(luò)連接微泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件等具有光、電荷流體輸送功能的元器件，最大限度地把采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等分析功能集成在芯片上的微全分析系統(tǒng)。

作為芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-chip)的典型代表技術(shù)，微流控技術(shù)發(fā)展迅速，目前已經(jīng)發(fā)展成為一門涵蓋分離分析、分子生物學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)診斷的交叉學(xué)科。由于微米級的結(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。

發(fā)展歷程

Manz和Widmer等人于1990年首次提出微型全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total Analysis System)的概念，至1995年首家從事微流控芯片技術(shù)的Caliper Life Sciences公司成立，90年代中期，美國提出對士兵個(gè)體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究；在整個(gè)90年代，微流控芯片更多的被認(rèn)為是一種分析化學(xué)平臺，因此原則上微流控芯片作為一種“微全分析”技術(shù)平臺可以應(yīng)用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗(yàn)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物醫(yī)學(xué)分析是熱點(diǎn)。

微流控平臺發(fā)展歷程

微流控技術(shù)工作原理

微流控芯片采用類似半導(dǎo)體的微機(jī)電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上，加載生物樣品和反應(yīng)液后，采用微機(jī)械泵。電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導(dǎo)熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測手段已經(jīng)被用在微流控芯片中，對樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和高通量分析。

微流控平臺技術(shù)原理

微流控技術(shù)特點(diǎn)

微流控芯片的最大特點(diǎn)是在一個(gè)芯片上可以形成多功能集成體系和數(shù)目眾多的復(fù)合體系的微全分析系統(tǒng)。

微流控技術(shù)優(yōu)勢

微流控芯片能把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等一系列基本操作單元整合到一個(gè)微米尺寸的芯片上，同時(shí)微通道形成的網(wǎng)絡(luò)，能夠貫穿整個(gè)系統(tǒng)，具有便攜、低能耗、易于制作、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，易于滿足生命科學(xué)對生物樣品進(jìn)行低劑量、更高效、高靈敏、快速分離分析的需求。

1.集成小型化與自動化

微流控技術(shù)能夠把樣本檢測的多個(gè)步驟集中在一張小小的芯片上，通過流道的尺寸和曲度、微閥門、腔體設(shè)計(jì)的搭配組合來集成這些操作步驟，最終使整個(gè)檢測集成小型化和自動化。

2.高通量

由于微流控可以設(shè)計(jì)成為多流道，通過微流道網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)將待檢測樣本分流到多個(gè)反應(yīng)單位，同時(shí)反應(yīng)單元之間相互隔離，使各個(gè)反應(yīng)互不相干擾，因此可以根據(jù)需要對同一個(gè)樣本平行進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的檢測。與常規(guī)逐個(gè)項(xiàng)目檢測相比，大大縮短了檢測的時(shí)間，提高了檢測效率，具有高通量的特點(diǎn)。

3.檢測試劑消耗少

由于集成檢測的小型化，使微流控芯片上的反應(yīng)單元腔體非常小，雖然試劑配方的濃度可能有一定比例的提高，但是試劑使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)試劑，大大降低了試劑的消耗量。

4.樣本量需求少

由于只在小小的芯片上完成檢測，因此需要被檢測的樣本量需求非常少，往往只需要微升（μL）甚至納升（nL）級別。此外還可以直接用全血進(jìn)行檢測，對于嬰兒、老人、殘疾人這些血量少、靜脈采集困難的人群，使其檢測更加方便；或者是非常珍貴稀少的樣本，使其多項(xiàng)指標(biāo)檢測成為可能。

5.污染少

由于微流控芯片的集成功能，原先在實(shí)驗(yàn)室里需要人工完成的各項(xiàng)操作全部集成到芯片上自動完成，使人工操作時(shí)樣本對環(huán)境的污染降低到最低程度。

微流控缺點(diǎn)與不足

核心技術(shù)缺乏規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

相關(guān)人才嚴(yán)重不足

目前生產(chǎn)成本高昂

微流控分析芯片

微流控分析芯片最初在美國被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”（lab-on-a-chip），在歐洲被稱為“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），它是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要平臺，可以把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。

制作微流控芯片的主要材料有硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和紙基等。其中PDMS的使用范圍最為廣泛，這種材料不僅加工簡單、光學(xué)透明，而且具有一定的彈性，可以制作功能性的部件，如微閥和微蠕動泵等。

材料種類	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
單晶硅	具有化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性；加工工藝成熟，可使用光刻和蝕刻等制備繼承電路的成熟工藝進(jìn)行加工及批量生產(chǎn)；	易碎，價(jià)格貴；不能透過紫外光；電絕緣性能不夠好表面化學(xué)行為較復(fù)雜；
玻璃和石英	很好的電滲性質(zhì)；優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)；可用化學(xué)方法進(jìn)行表面改性可用光刻和蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工；	難以得到深寬比大的通道，加工成本較高；鍵合難度較大；
有機(jī)聚合物	成本低、品種多；能通過可見與紫外光；可用化學(xué)方法進(jìn)行表面改性易于加工，可通過鑄造成型，激光濺射等方法得到深寬比大的能道；可廉價(jià)大量地生產(chǎn)；	不耐高溫；導(dǎo)熱系數(shù)低；表面改性的方法待進(jìn)一步研究；
二甲基硅氧烷（PDMS）	能重復(fù)可逆變形不發(fā)生永性破壞，用模塑法高保真的制備微流控芯片，能透過300nm以上的紫外可見光，耐用且化學(xué)惰性，無毒，廉價(jià)	不耐高溫；導(dǎo)熱系數(shù)低; 表面改性的方法待進(jìn)一步研究;

微流控芯片制備

不同的材料特性決定了不同的微加工方法。但是微流控芯片最主要的加工方法是來自于微電子行業(yè)的光刻技術(shù)和來自于表面圖案化的軟光刻技術(shù)。

1. 微流控芯片加工

這一步需考慮結(jié)構(gòu)、成本、管道尺寸、能否量產(chǎn)等問題。目前技術(shù)有：光刻和刻蝕技術(shù)、熱壓法、模塑法、注塑法、LIGA法（集合光刻、電鑄和塑鑄）、激光燒蝕法、軟光刻。

2. 微流控芯片封合

這一步需要考慮的問題有：高溫性能退化、常溫老化、選擇點(diǎn)密封還是面密封、是否堵塞管道以及能否量產(chǎn)的問題。目前技術(shù)主要有：Plasma/電離化鍵合、貼膜法、超聲焊接、激光焊接、熱壓鍵合。

3. 微流控流體驅(qū)動

此步需要考慮的主要有泵、閥，包括是選擇主動型還是被動型，以及是否穩(wěn)定可靠等。另一方面需要考慮流體寬度、深度、腔室大小，采用定量分析還是定性分析等。目前驅(qū)動方法主要有：光控法、電驅(qū)動、磁場法、擠壓囊泡、膜片震動、泵推、離心力、剪切力。

4. 氣溶膠污染設(shè)計(jì)

這一步驟需要考慮選擇什么材質(zhì)或者方法手段盡可能減少氣溶膠污染。目前可以采取的方法如下：密封反應(yīng)體系后擴(kuò)增、全密封體系、硅油密封、加入樣本后，密封加樣孔、卡扣結(jié)構(gòu)，手工密封。

5. 儀器信號檢測

對微流控液滴信號進(jìn)行采集，此處涉及到的主要技術(shù)有：可視化讀出、電信號讀出和擴(kuò)增曲線。

微流控在體外診斷領(lǐng)域的應(yīng)用

微流控現(xiàn)在已經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，如今在全球范圍內(nèi)開發(fā)基于微流控的解決方案公司數(shù)量超過一千家。2018年全球微流控產(chǎn)品市場規(guī)模達(dá)到87億美元，2019至2024年期間的復(fù)合年增長率高達(dá)11.7%，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到174億美元。微流控芯片IVD產(chǎn)品在某些方面具有顛覆性優(yōu)勢，必將發(fā)展成為主流的體外檢測技術(shù)。

器官芯片

器官芯片是指在一塊微流控芯片平臺上模擬器官功能的一種科學(xué)技術(shù)，是2016世界達(dá)沃斯論壇評選的“十大新興技術(shù)”之一。其主要目標(biāo)是通過在芯片上模擬生物體的環(huán)境，進(jìn)行細(xì)胞、組織和器官培養(yǎng)，研究并控制細(xì)胞在體外培養(yǎng)過程中的生物學(xué)行為，從而實(shí)現(xiàn)模擬生物體環(huán)境的器官移植和藥性評價(jià)等。器官芯片使一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，目前已有腎芯片、肝芯片、胰島芯片、腸芯片、血管糖鄂芯片和腫瘤新品等的臨床應(yīng)用。

液體活檢

以循環(huán)腫瘤細(xì)胞CTC檢測為例，其在腫瘤分期檢測、動態(tài)檢測、療效評估、藥物開發(fā)和預(yù)后檢測等方面具有重大意義，是一種可望用于替代腫瘤組織活檢的液體活檢新技術(shù)。然而，目前依賴于單一上皮源性抗體的CTC免疫富集及技術(shù)方法無法對不同分型的CTC進(jìn)行全面的捕獲、難于無損釋放CTC、無法提供深度的分子病理信息。通過微流控技術(shù)，可以獲得多條可識別不同CTC的高親和力、高特異性的核酸序列，并且能夠通過構(gòu)建微流控微柱陣列芯片，實(shí)現(xiàn)CTC的高效捕獲與無損釋放。該方法在癌癥的精準(zhǔn)診斷、用藥指導(dǎo)、療效評估方面具有重要的應(yīng)用前景。