微流控技術(shù)能夠進(jìn)行精準(zhǔn)的單細(xì)胞測(cè)序，為惡性腫瘤早篩提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。癌癥早期，病人血液中會(huì)有變異細(xì)胞，但數(shù)量極少， 100萬(wàn)個(gè)細(xì)胞里可能只有10多個(gè)癌細(xì)胞。微流控技術(shù)可以通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序，精準(zhǔn)地標(biāo)記異常細(xì)胞，幫助確診早期癌癥。

從技術(shù)上說(shuō)，單細(xì)胞測(cè)序較普遍的兩條路線，一種是微孔法，即微孔板技術(shù)平臺(tái)利用大量的微孔完成細(xì)胞的捕獲，隨后進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組文庫(kù)構(gòu)建。另一種則是基于微流控技術(shù)的液滴法，基于流體力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選，適用于高通量、大規(guī)模的單細(xì)胞研究。

微流控兩大優(yōu)勢(shì)：精準(zhǔn)控制和快速混合

微流控 ( microfluidics ) 是一種以在微納米尺度空間中對(duì)流體進(jìn)行精確操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)等微縮到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成，是一個(gè)涉及了工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、微加工和生物工程等領(lǐng)域的交叉學(xué)科技術(shù)。

 精確控制：在微尺度上設(shè)計(jì)液滴形態(tài)

液滴微流控技術(shù)是在微尺度下利用連續(xù)相的流體剪切力來(lái)破壞離散相的表面張力，將離散相分割成納升級(jí)甚至皮升級(jí)液滴的一種技術(shù)。作為一種在封閉的微通道網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生和操控微小體積液滴的科學(xué)與技術(shù)，液滴微流控 ( droplet-based microfluidics ) 具有如下優(yōu)點(diǎn)：

一是重現(xiàn)性好：每個(gè)微液滴都是一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)單元，極大增強(qiáng)了液滴中樣品的抗干擾性，不易發(fā)生交叉污染，因而在一定程度上提高了檢測(cè)分析的重現(xiàn)性；

二是混合速度快：在微通道尺寸小至微米級(jí)時(shí)，通道內(nèi)的連續(xù)流體將呈層流狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)快速混勻，但液滴卻能在蜿蜒的通道中實(shí)現(xiàn)快速混勻；

三是樣品與試劑的消耗量少：液滴的體積通?？蛇_(dá)到納升或皮升級(jí)別，在保證樣品濃度不變的情況下，其不用像連續(xù)流那樣需要使樣品或試劑充滿整個(gè)通道而造成浪費(fèi)；

四是易于精確操控：通道內(nèi)液滴的運(yùn)輸、融合、分裂等都能通過(guò)程序進(jìn)行精確控制。

快速混合：納米級(jí)工程粒子形態(tài)

當(dāng)流體的特征尺度不同時(shí)，流動(dòng)特性往往會(huì)發(fā)生很大變化。在宏觀尺度上，流體內(nèi)部易產(chǎn)生混沌無(wú)規(guī)的湍流；在微觀尺度上，流體流動(dòng)則以層流為主，其流動(dòng)特性可用連續(xù)性動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行預(yù)測(cè)；在納米尺度上，納米通道的特征尺度趨近于分子間相互作用力的力程，從而引發(fā)了許多獨(dú)特的流體現(xiàn)象。

多尺度流控體系中流體的物理特性

毫流控、微流控和納流控分別指通道的特征長(zhǎng)度處于 1 mm - 10 mm 、 100 nm - 1 mm 和小于 100 nm 范圍的流體體系。一般情況下，水在毫流控、微流控和納米流控通道中流體本質(zhì)上均處于層流狀態(tài)。在毫流控和微流控中，流體運(yùn)動(dòng)主要受到其內(nèi)部的粘滯力和慣性力，界面上的界面張力和毛細(xì)作用力的影響。

而在納米通道中，通道尺寸小于 100 nm （納米），由于與分子尺寸相當(dāng)，分子間相互作用力如靜電力、范德華力、水合作用力和空間排斥力等則起到主導(dǎo)作用。了解通道中流體運(yùn)動(dòng)和受力情況，對(duì)流體的精確控制和流控器件的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)等具有至關(guān)重要的作用。

流控器件的制備技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景

得益于微納加工技術(shù)的發(fā)展和各種新型制備技術(shù)的誕生，目前流控器件的制備在分辨率、成本和高通量制造等方面得到極大改善。

微型流控器件的主要構(gòu)件，如通道、過(guò)濾器、閥門、攪拌器和泵浦等，可作為標(biāo)準(zhǔn)模塊集成到單個(gè)芯片上，精巧度和便攜性大大提高，也為流控器件的靈活設(shè)計(jì)和應(yīng)用推廣提供了廣闊的空間 。

尺度大小決定制備方法

根據(jù)器件的尺度不同，流控體系的制備技術(shù)也不盡相同，如針對(duì)毫流控和微流控器件制備方法主要分為增材和非增材制造技術(shù)，針對(duì)納流控器件制備主要為自上而下和自下而上方法等。

最初的微流控技術(shù)被用于分析。微流控為分析提供了許多有用的功能：使用非常少的樣本和試劑做出高精度和高敏感度的分離和檢測(cè)，費(fèi)用低，分析時(shí)間短，分析設(shè)備的印記小。微流控既利用了它最明顯的特征 —— 尺寸小，也利用了不太明顯的微通道流體的特點(diǎn)，比如層流。它本質(zhì)上提供了在空間和時(shí)間上集中控制分子的能力。

由于毫流控、微流控和納流控通道中流體特性差異，它們的應(yīng)用和發(fā)展也呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。毫流控器件的毫米級(jí)通道對(duì)堵塞和污垢的敏感性較低，有助于工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。

毫流控在合成效率和產(chǎn)品質(zhì)量之間提供了良好的平衡，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室合成和工業(yè)生產(chǎn)之間的差距。通過(guò)連續(xù)式反應(yīng)流或離散式液滴反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)物質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和參數(shù)優(yōu)化，用于納米材料的優(yōu)質(zhì)制造和高通量藥物篩選等。

當(dāng)下，毫流控研究主要致力于將多通道投料、實(shí)時(shí)檢測(cè)、自動(dòng)控制和高通量等生產(chǎn)特征整合，通過(guò)精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建多功能自反饋平臺(tái)，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的優(yōu)質(zhì)多樣性制造。微流控由于其優(yōu)異的微米級(jí)流體操縱能力，已被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控器件為基礎(chǔ)科學(xué)、創(chuàng)新技術(shù)和新應(yīng)用提供了廣闊的平臺(tái)。

主動(dòng)式和被動(dòng)式策略

目前提高流體混合速率的策略主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式混合是通過(guò)設(shè)計(jì)具有特定幾何形狀的流體通道，觸發(fā)局域混沌湍流以加速混合，如之字形、漩渦構(gòu)型、分支結(jié)構(gòu)和蜿蜒形。

主動(dòng)式混合則是在微流器件中引入外源驅(qū)動(dòng)微混合器，如壓電混合器、電動(dòng)混合器和磁力驅(qū)動(dòng)混合器等。微流控器件作為“乳液設(shè)計(jì)器”可將不互溶液體混合，在液滴生成和構(gòu)建多級(jí)乳液方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可制備包括雙乳、三乳和四乳等體積和核液滴數(shù)量精準(zhǔn)可調(diào)的多級(jí)乳液結(jié)構(gòu)。

另外，微通道每個(gè)液滴可作為單個(gè)細(xì)胞的理想容器，為單細(xì)胞分析提供強(qiáng)大平臺(tái)。通過(guò)引入介電泳、磁力、光力和聲波等，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)粒子或細(xì)胞的高效分選。當(dāng)集成液滴生成、合并、混合、細(xì)胞孵育和觀測(cè)等多個(gè)模塊時(shí)，可用于細(xì)胞毒性等高通量篩查。通過(guò)進(jìn)一步構(gòu)建仿生器官微流芯片，還可還原人體內(nèi)組織或器官的微結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，成功再現(xiàn)器官水平的代謝和免疫反應(yīng)，用于臨床精準(zhǔn)醫(yī)療。

流控技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

在日常生活中，微流控即時(shí)檢測(cè) ( POCTs ) 裝置憑借其成本低廉、靈敏度高、便攜性強(qiáng)、檢測(cè)快速等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于公共健康檢測(cè)，如 HIV 診斷、血液分析和血糖監(jiān)測(cè)等。在當(dāng)前冠狀病毒病 COVID-19 大流行的診斷， POCTs 同樣發(fā)揮著重要的作用。納流控的快速發(fā)展得益于納米制造技術(shù)的發(fā)展和新型納米材料的發(fā)現(xiàn)，如碳納米管、氮化硼、石墨烯、 MoS2 和 MXenes 等 。

納流控處于納米特征尺度上，主要由分子間的作用力主導(dǎo)，這也賦予了它極具價(jià)值的應(yīng)用前景，如海水淡化、能量收集、單分子分析和納米流體二極管和仿生神傳導(dǎo)經(jīng)系統(tǒng)等，以及新奇豐富的微觀流體現(xiàn)象。

例如當(dāng)水通過(guò)半徑為 15~50 nm 的碳納米管時(shí)，實(shí)測(cè)水流速率比連續(xù)動(dòng)力學(xué)模型推算的預(yù)測(cè)值高出 4~5 個(gè)數(shù)量級(jí)，一個(gè)可能解釋是其無(wú)摩擦的通道表面導(dǎo)致了超快水傳輸現(xiàn)象的產(chǎn)生。然而，納米通道中超快水輸運(yùn)等現(xiàn)象的潛在機(jī)制尚無(wú)定論，有待實(shí)驗(yàn)和模擬的進(jìn)一步揭示。

現(xiàn)今，微流控技術(shù)在很多交叉學(xué)科領(lǐng)域得到了較為廣泛應(yīng)用，研究方向包括體外實(shí)時(shí)診斷、器官芯片、細(xì)胞操控芯片、分子生物學(xué)應(yīng)用、食品安全檢測(cè)等，部分研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

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