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        微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸為數十到數百微米)處理或操縱微小流體(體積為納升到皮升)的系統所涉及的科學和技術,是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫學工程的新興交叉學科.如今,微流控芯片相關產業的急劇增長已是不爭的事實.Yole2015年的報告指出, 2015年微流控芯片產業的產值約為25.6億美元, 到2020年將會達到59.5億美元, 年均復合增長率高達18%,主要增長點是醫/藥學研究和即時診斷.而隨著老齡化的到來,尤其是對于中國這樣老年人口眾多,醫療資源匱乏的大國,微流控芯片更是應對眾多醫療健康難題的關鍵.

2016-2020微流控市場規模預測 Yole

什么是微流控?

        微流控芯片采用微納加工技術在芯片上構建微流路系統,將實驗與分析過程轉載到由彼此聯系的路徑和液相小室組成的芯片結構上.加載生物樣品和反應液后,采用微機械泵、電水力泵和電滲流等方法驅動芯片中緩沖液的流動,形成微流路,在芯片上進行多種生物化學反應.激光誘導熒光、電化學和化學等多種檢測系統以及與質譜等分析手段結合的很多檢測手段也已經被用在微流控芯片中,從而實現對樣品的快速、準確和高通量分析.近年來隨著微泵,微閥的發展,更讓微流控芯片實現了主動控制流量,流速以及流道開閉等功能.

 

微流控芯片發展簡史

        微流控芯片的發展歷史最早可以追溯到1975年,Terry等人在一塊硅片上加工出了一種氣相色譜芯片,能在幾秒鐘內對混合物進行分離.但是由于當時分離技術相對落后以及缺乏對類似器件的操作經驗,整個科學界對這項劃時代的工作響應寥寥.直到1990年,瑞士科學家Manz與Widmer首次提出了微全分析系統(Micro-Total Analytical System,μTAS)概念,當時這一概念是作為一種新型的化學傳感器提出來的,當這個概念被提出之后,研究者們很快意識到器件尺寸的減小會帶來很多的好處.自1992年開始,以毛細管電泳為主要應用對象的各種微流控芯片相繼開發成功,從此科學界和產業界都紛紛介入到這一新興領域的研發,研究者們開始對μTAS的各個相關領域進行了更加系統深入的研究,各種新方法、新工藝、新材料也不斷地獲得開發和應用,微流控產業才開始漸漸繁榮起來.

 

潛力巨大的微流控芯片

        微流控芯片在生物、制藥、醫學、臨床診斷以及即時檢測領域等領域有著的巨大潛力.借助微流控芯片,可以將分析過程的樣品制備、反應、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.具有體積輕巧、使用樣品及試劑量少,且反應速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優點.以下就是微流控芯片的一些典型應用.

        微流控芯片的一大應用即是所謂的"片上實驗室",即在微流控芯片上集成生物實驗所需的各種條件.目前最典型的應用是PH值控制.通過在微流控芯片中集成離子選擇性晶體管測量PH值,微流控系統就可以根據測量值,利用微閥門和微泵實時控制微腔室里的化學條件.

        用于PH值控制的微流控芯片 Welch and Christen, 2014微流控最廣的應用要數床邊檢測(Point of Care, PoC).與硅基或者玻璃制造的微流控器件不同,用于PoC檢測的微流控芯片多利用高分子聚合物制造,以便盡可能的降低成本——因為大部分用于PoC檢測的芯片是一次性使用的.微流控芯片還具有快速、高通量以及消耗檢材少等優勢,已經廣泛地應用在了妊娠檢測,傳染病診斷,胰島素檢測和毒品尿檢等PoC檢測中.

 

用于PoC檢測中的微流控芯片

        在新藥研發領域,最重要的一點是縮短藥物的作用路徑.很簡單的例子,靜脈注射通常比肌肉注射見效快,而肌肉注射往往又快于口服.但注射需要專業的醫護人員,且有痛苦,通常不是人們首選的方式.微流控芯片則可能改變這一狀況.通過微針陣列可以實現微創給藥,既提高了藥物吸收效率,又能夠減輕傳統注射方式的痛苦.

 

用于給藥的微針陣列

        生物研究中,在一片微小區域內利用不同條件培養和篩選細胞,一直是很多生物學家的夢想.微流控芯片由于能夠精確的控制流體條件,有希望將這一夢想變為現實.借助于微流控芯片,生物學家可以更快速的尋找到細胞培養的最佳生長條件,細胞與培養環境的相互作用等,更精確地研究細胞行為.

        生物實驗中,化學物質的濃度梯度通常是一個非常重要的實驗參數.微流控芯片可以方便地產生出人們需要的濃度梯度.因微流控芯片尺寸通常在微米量級,在這個尺度下,液體流動呈現層流狀態,相鄰液體不會輕易混合,而是通過擴散方式漸漸融為一體,由此就形成了穩定的濃度梯度.而通過控制注入物質的濃度差,還可以控制所需梯度的大小.