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)。

作為芯片實驗室(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、分子生物學研究、生物醫(yī)學診斷的交叉學科。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90年代，微流控芯片更多的被認為是一種分析化學平臺，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)用于各個分析領(lǐng)域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗、軍事科學和航天科學等重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物醫(yī)學分析是熱點。

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)體的微機電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實驗與分析過程轉(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，于芯片上進行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。激光誘導(dǎo)熒光、電化學和化學等多種檢測系統(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，對樣品進行快速、準確和高通量分析。

微流控平臺技術(shù)原理

微流控技術(shù)特點

微流控芯片的最大特點是在一個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微米尺寸的芯片上，同時微通道形成的網(wǎng)絡(luò)，能夠貫穿整個系統(tǒng)，具有便攜、低能耗、易于制作、易于掌握等優(yōu)點，易于滿足生命科學對生物樣品進行低劑量、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)計的搭配組合來集成這些操作步驟，最終使整個檢測集成小型化和自動化。

2.高通量

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

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，但是試劑使用量遠遠低于常規(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，使其多項指標檢測成為可能。

5.污染少

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

微流控缺點與不足

核心技術(shù)缺乏規(guī)范和標準

相關(guān)人才嚴重不足

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“芯片實驗室”（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)實現(xiàn)的主要平臺，可以把生物、化學、醫(yī)學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	缺點
單晶硅	具有化學惰性和熱穩(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行加工及批量生產(chǎn)；	易碎，價格貴；不能透過紫外光；電絕緣性能不夠好表面化學行為較復(fù)雜；
玻璃和石英	很好的電滲性質(zhì)；優(yōu)良的光學性質(zhì)；可用化學方法進行表面改性可用光刻和蝕刻技術(shù)進行加工；	難以得到深寬比大的通道，加工成本較高；鍵合難度較大；
有機聚合物	成本低、品種多；能通過可見與紫外光；可用化學方法進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，耐用且化學惰性，無毒，廉價	不耐高溫；導(dǎo)熱系數(shù)低; 表面改性的方法待進一步研究;

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

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)模達到87億美元，2019至2024年期間的復(fù)合年增長率高達11.7%，預(yù)計2024年將達到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技術(shù)，是2016世界達沃斯論壇評選的“十大新興技術(shù)”之一。其主要目標是通過在芯片上模擬生物體的環(huán)境，進行細胞、組織和器官培養(yǎng)，研究并控制細胞在體外培養(yǎng)過程中的生物學行為，從而實現(xiàn)模擬生物體環(huán)境的器官移植和藥性評價等。器官芯片使一個復(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，實現(xiàn)CTC的高效捕獲與無損釋放。該方法在癌癥的精準診斷、用藥指導(dǎo)、療效評估方面具有重要的應(yīng)用前景。