很多人在第一次聽說微流控的時候，會覺得這是一門特別高大上的技術，不明覺厲。微流控高不高大上我不敢說，但它絕對是個有趣的技術，有極大的應用前景。

     其實，我們在日常生活中都或多或少接觸過微流體。比如醫生用毛細管采指血，其實就是利用流體在微觀尺度下所呈現的表面張力大于重力的特性。除了表面張力的特殊性之外，微流體相較于宏流體，還有許多其他不一樣的物理性質。而微流控所要做的便是在硬幣大小的玻璃芯片或者塑料芯片上，利用微流體的性質，來實現對研究對象以及微環境的精確控制。

圖1   Stephen Quake實驗室設計的用于培養微生物的微恒化器，利用食物染料對通道進行染色，看上去就像一個集成電路板。每個紅色圈圈代表一個反應器，6個可以在一張芯片上平行運行。（硬幣直徑為18mm）

1.微流控的用途

微流控的發展起源于分析化學領域中微分析技術的發展，比如微型氣相色譜、微型液相色譜，毛細管電泳等等。它們的特點是只需要極低的樣本量，便可以實現高靈敏度、高精度的檢測結果。這些技術的成功，直接催化了研究人員去開發新的更好更通用的技術，讓更多的化學分析乃至生物領域的分析技術可以微小化。隨著聚合物PDMS（聚二甲基硅氧烷）的廣泛應用，微流控迎來了春天。透明、柔軟有彈性、大多無生物毒性、易于微納加工，PDMS是非常理想的用于技術原型的驗證材料，大大縮短了微流控應用的驗證周期。近20年來，在以PDMS為材料的微流芯片上發展起來的研究和應用越來越多，PCR，免疫熒光，電泳，質譜，藥物篩選，細胞捕獲和分選等等都可以在利用微流控實現。

2.微流控的優勢

     說到這里肯定有人要問，以上提到的分析技術，在實驗室中用瓶瓶罐罐移液槍，以及傳統的分析儀器分分鐘就能搞定，為何還要用微流控來做呢？在這個做什么都講究高通量的時代，微流控的優勢便凸顯出來了。傳統的實驗方法也許一次只能分析幾個樣本，如果用96孔板，最多也不會上百。而一張小小的微流芯片一次可以處理的樣本量少則幾十，多則成千上萬。且可以做到全自動化，省時省力。是不是超贊？

     第二個優勢是高度集成化。我們來看一下生物實驗室中用于擴增DNA的技術PCR（Polymerase chain reaction，聚合酶鏈式反應），一般都需要哪些流程。首先，在PCR之前要準備反應溶液，需要混勻。溶液準備完之后用PCR儀進行DNA擴增。PCR結束之后通常還需要電泳，對反應產物進行鑒定或分離。你能想象所有的這些反應以及人工的諸如移液和混合的操作，都可以集成在一張小小的芯片上嗎（圖2）。雖然目前能夠集成到微流芯片上的技術還很有限，但這絕對是未來的發展以及突破方向之一。在將來，也許我們每個人的家里，都會常備微流芯片，可以方便地做血常規、病毒檢測、或者癌癥篩查等等。

圖2  PCR試劑及試劑混合，PCR反應，DNA電泳在芯片上的整合

第三個優勢是實時觀測，定量控制。由于微流芯片是由透明的材料料做成的，所以可以與顯微鏡或者激光探測儀相結合，芯片中的蛋白或細胞可以通過熒光標記來實時追蹤熒光強度和位置。除了光信號外，也可以結合電化學的方法收集電信號。定量控制，主要指的是對微環境的控制，包括觀測對象周圍的物質濃度，流體速度等等。物質的濃度不僅可以是時空均一的，也可以是隨時空變化的濃度場。“實時定量”的結果必然是更加精確的數據，生物物理學家利用這些數據抽象出數學模型，用于解釋生物學問題以及進行定量預測。

第四個優勢是體積小。與其說是優勢，不如說是特點。這個特點帶來了很多優勢，同時也有很多缺陷。微流通道的特征尺寸一般在百納米-百微米之間，體積小的直接優勢是樣本需求量少。我們來做一個簡單的計算，對于一個(100?m)^3的微腔室，可以容納的溶液體積是多少呢？答案是僅僅1nL。實驗室中處理的通常都是幾毫升-幾微升的樣本，這樣一來就大大節省了樣本量。尤其對于一些不容易獲得的樣本，比如受精卵、組織樣本等等，這是一個極大的優勢。不過在待檢物濃度極低的情況下，樣本量少反而成了劣勢。例如循環腫瘤干細胞（Circulating tumor cell， CTC）的篩查，在腫瘤患者的血液中，每毫升可能就只有幾個CTC，如果CTC不經過富集，要想在微流芯片中檢測出來幾乎是不可能的。體積小的另一個優勢在于高表面積-體積比使得熱傳導以及擴散混合的速度很快，前者能夠保證芯片上精確的溫度控制，后者提升了生物化學反應速度及精度。不過，高表面積-體積比也會有一些不利，比如蛋白更容易吸附在表面上，影響蛋白活性。

有人說便宜也是微流控的優勢，但其實這個是要分情況的。一張微流芯片成品的成本價確實很低，只要幾角-幾元錢。但是制備芯片的設備，硅片，以及制作工藝等等，都是比較昂貴的。而成本的降低是一定要通過優化制作工藝以及量產來實現的。另外，微流芯片制備和操作的整套系統與生物實驗室的兼容性不好，一般的生物實驗室并不會有微納加工間以及流體控制系統，這也是大多數實驗室不愿嘗試的原因。當然，這兩點都不是微流控在技術上層面上的劣勢。

（文章來自：MicroX 作者：劍峰倫 科學網科學網轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）