很多人在第一次聽說微流控的時(shí)候，會(huì)覺得這是一門特別高大上的技術(shù)，不明覺厲。微流控高不高大上我不敢說，但它絕對(duì)是個(gè)有趣的技術(shù)，有極大的應(yīng)用前景。

     其實(shí)，我們?cè)谌粘Ｉ钪卸蓟蚨嗷蛏俳佑|過微流體。比如醫(yī)生用毛細(xì)管采指血，其實(shí)就是利用流體在微觀尺度下所呈現(xiàn)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(zhì)。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(zhì)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象以及微環(huán)境的精確控制。

圖1   Stephen Quake實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的用于培養(yǎng)微生物的微恒化器，利用食物染料對(duì)通道進(jìn)行染色，看上去就像一個(gè)集成電路板。每個(gè)紅色圈圈代表一個(gè)反應(yīng)器，6個(gè)可以在一張芯片上平行運(yùn)行。（硬幣直徑為18mm）

1.微流控的用途

微流控的發(fā)展起源于分析化學(xué)領(lǐng)域中微分析技術(shù)的發(fā)展，比如微型氣相色譜、微型液相色譜，毛細(xì)管電泳等等。它們的特點(diǎn)是只需要極低的樣本量，便可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度的檢測(cè)結(jié)果。這些技術(shù)的成功，直接催化了研究人員去開發(fā)新的更好更通用的技術(shù)，讓更多的化學(xué)分析乃至生物領(lǐng)域的分析技術(shù)可以微小化。隨著聚合物PDMS（聚二甲基硅氧烷）的廣泛應(yīng)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(shù)原型的驗(yàn)證材料，大大縮短了微流控應(yīng)用的驗(yàn)證周期。近20年來，在以PDMS為材料的微流芯片上發(fā)展起來的研究和應(yīng)用越來越多，PCR，免疫熒光，電泳，質(zhì)譜，藥物篩選，細(xì)胞捕獲和分選等等都可以在利用微流控實(shí)現(xiàn)。

2.微流控的優(yōu)勢(shì)

     說到這里肯定有人要問，以上提到的分析技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中用瓶瓶罐罐移液槍，以及傳統(tǒng)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(gè)做什么都講究高通量的時(shí)代，微流控的優(yōu)勢(shì)便凸顯出來了。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法也許一次只能分析幾個(gè)樣本，如果用96孔板，最多也不會(huì)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(dòng)化，省時(shí)省力。是不是超贊？

     第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是高度集成化。我們來看一下生物實(shí)驗(yàn)室中用于擴(kuò)增DNA的技術(shù)PCR（Polymerase chain reaction，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)），一般都需要哪些流程。首先，在PCR之前要準(zhǔn)備反應(yīng)溶液，需要混勻。溶液準(zhǔn)備完之后用PCR儀進(jìn)行DNA擴(kuò)增。PCR結(jié)束之后通常還需要電泳，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行鑒定或分離。你能想象所有的這些反應(yīng)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(shù)還很有限，但這絕對(duì)是未來的發(fā)展以及突破方向之一。在將來，也許我們每個(gè)人的家里，都會(huì)常備微流芯片，可以方便地做血常規(guī)、病毒檢測(cè)、或者癌癥篩查等等。

圖2  PCR試劑及試劑混合，PCR反應(yīng)，DNA電泳在芯片上的整合

第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是實(shí)時(shí)觀測(cè)，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(cè)儀相結(jié)合，芯片中的蛋白或細(xì)胞可以通過熒光標(biāo)記來實(shí)時(shí)追蹤熒光強(qiáng)度和位置。除了光信號(hào)外，也可以結(jié)合電化學(xué)的方法收集電信號(hào)。定量控制，主要指的是對(duì)微環(huán)境的控制，包括觀測(cè)對(duì)象周圍的物質(zhì)濃度，流體速度等等。物質(zhì)的濃度不僅可以是時(shí)空均一的，也可以是隨時(shí)空變化的濃度場(chǎng)。“實(shí)時(shí)定量”的結(jié)果必然是更加精確的數(shù)據(jù)，生物物理學(xué)家利用這些數(shù)據(jù)抽象出數(shù)學(xué)模型，用于解釋生物學(xué)問題以及進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

第四個(gè)優(yōu)勢(shì)是體積小。與其說是優(yōu)勢(shì)，不如說是特點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)帶來了很多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(yōu)勢(shì)是樣本需求量少。我們來做一個(gè)簡單的計(jì)算，對(duì)于一個(gè)(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(shí)驗(yàn)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(jié)省了樣本量。尤其對(duì)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(gè)極大的優(yōu)勢(shì)。不過在待檢物濃度極低的情況下，樣本量少反而成了劣勢(shì)。例如循環(huán)腫瘤干細(xì)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(gè)CTC，如果CTC不經(jīng)過富集，要想在微流芯片中檢測(cè)出來幾乎是不可能的。體積小的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于高表面積-體積比使得熱傳導(dǎo)以及擴(kuò)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(xué)反應(yīng)速度及精度。不過，高表面積-體積比也會(huì)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(yōu)勢(shì)，但其實(shí)這個(gè)是要分情況的。一張微流芯片成品的成本價(jià)確實(shí)很低，只要幾角-幾元錢。但是制備芯片的設(shè)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(yōu)化制作工藝以及量產(chǎn)來實(shí)現(xiàn)的。另外，微流芯片制備和操作的整套系統(tǒng)與生物實(shí)驗(yàn)室的兼容性不好，一般的生物實(shí)驗(yàn)室并不會(huì)有微納加工間以及流體控制系統(tǒng)，這也是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室不愿嘗試的原因。當(dāng)然，這兩點(diǎn)都不是微流控在技術(shù)上層面上的劣勢(shì)。

（文章來自：MicroX 作者：劍峰倫 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）