微流控(Microfluidics)指的是使用微管道 (尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米)處理或操縱微小流體的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。它可以將生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域分析樣品的過程，包括制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本單元集成到一塊微米尺度的芯片上，并且自動完成分析全過程。因為具有微型化、集成化等特征，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室(Lab on a Chip)和微全分析系統(tǒng)(micro-Total Analytical System)。
一、微流控發(fā)展歷史
微流控是伴隨著微機電加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展而來的。MEMS技術(shù)是指用半導(dǎo)體技術(shù)，將現(xiàn)實生活中的機械系統(tǒng)微型化，形成微型電子機械系統(tǒng)。微流控正是基于MEMS技術(shù)特點，將一個大型實驗室系統(tǒng)縮微在一個玻璃或塑料基板上，從而復(fù)制復(fù)雜的生物學(xué)和化學(xué)反應(yīng)全過程，快速自動地完成實驗。其特征是在微米級尺度構(gòu)造出容納流體的通道、反應(yīng)室和其它功能部件，操控微米體積的流體在微小空間中的運動過程，從而構(gòu)建完整的化學(xué)或生物實驗室。
20世紀(jì)90年代，Manz和Widmer等人采用芯片實現(xiàn)了此前在毛細(xì)管內(nèi)完成的電泳分離，并于1990年首次提出微型全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total AnalysisSystem，μTAS)的概念，此后微泵及流量傳感器才被陸續(xù)開發(fā)出來，基于將完整的實驗室分析系統(tǒng)集成到芯片上的流體處理概念的出現(xiàn)催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究。
圖1 微流控技術(shù)發(fā)展歷史
二、微流控芯片的優(yōu)勢及應(yīng)用場景
(一)技術(shù)優(yōu)勢
基于MEMS發(fā)展而來的微流控芯片技術(shù)，被譽為改變未來的七種技術(shù)之一，相比于傳統(tǒng)方法其技術(shù)有如下優(yōu)勢：
1.1 微型化
微流控技術(shù)能夠把樣本檢測整個過程集中在幾厘米的芯片上，通過液體流道的設(shè)計、微型閥門的安置、液體腔體的設(shè)計等模塊的集成，綜合完成檢測的操作過程，最終使整個檢測實現(xiàn)微型化。
1.2 高通量化
微流控芯片通過設(shè)計可以呈現(xiàn)多流道的形式，通過微流道網(wǎng)絡(luò)可以將待檢測樣本分流到多個反應(yīng)單位，由于反應(yīng)單元之間相互隔離、互不干擾，因此可以根據(jù)需要對單個樣本同時進行多項檢測。與常規(guī)檢測相比，顯著縮短了檢測的時間，提高了檢測效率，實現(xiàn)檢測的高通量化。
1.3 樣本需求小
在微流控芯片上檢測所需要被檢測的樣本量體積往往只需要微升甚至納升級別。同時由于其高通量的特點，對一次采集的樣本就可以實現(xiàn)多項測試，因此對于不易獲取的樣本檢測更加具有優(yōu)勢。
1.4 試劑消耗量少
由于微流控芯片的微型化特點，其內(nèi)部的反應(yīng)單元腔體同樣非常小，使得整個反應(yīng)體系總體積非常微小，與傳統(tǒng)檢測體系相比，大大降低了試劑的消耗量。
(二)應(yīng)用場景
微流控芯片存在上述明顯的優(yōu)勢，使得其在不同領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景。如與微流控芯片結(jié)合最為緊密的體外診斷領(lǐng)域，其在生化分析、免疫診斷、分子診斷等IVD細(xì)分領(lǐng)域都能夠發(fā)揮出自身的特點，替代傳統(tǒng)IVD檢測方法的潛力巨大。此外在細(xì)胞分離方面的優(yōu)勢可以大大提高循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢出率和純度，從而為相關(guān)癌癥的治療提供關(guān)鍵支持。在藥物篩選領(lǐng)域，比如干細(xì)胞芯片，可克服現(xiàn)有的干細(xì)胞進行體外研究的局限性，通過實時精確控制干細(xì)胞微環(huán)境中的各種因素，盡可能地模擬干細(xì)胞生長分化的復(fù)雜環(huán)境等等。
圖2 微流控芯片應(yīng)用場景
三、微流控技術(shù)介紹
(一)微流控芯片的材料：硅片、玻璃、PDMS、紙等。
表1 微流控芯片制造材料
圖3 不同材質(zhì)的微流控芯片
(二)微流控芯片制造技術(shù)：眾多，大致分為以下幾種：
表2 微流控芯片制造技術(shù)
(三)微流控芯片的流體控制
微流控分為被動式微流控和主動式微流控。被動式微流控，不借助外力，通過液體自身的毛細(xì)作用等完成各項反應(yīng)。主動式微流控，則是通過儀器內(nèi)部精密控制芯片內(nèi)反應(yīng)腔結(jié)合閥門裝置，精確控制液體的流動形式，定量控制反應(yīng)樣本體積，使樣本定量參與反應(yīng)，達(dá)到精確控制。
表3 微流控芯片流體控制方法分類
四、微流控市場容量及前景
根據(jù)Yole分析師最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2018年全球微流控產(chǎn)品市場規(guī)模達(dá)到87億美元，2019至2024年期間的復(fù)合年增長率高達(dá)11.7%，預(yù)計2024年將達(dá)到174億美元。兩項主要應(yīng)用為：(1)即時檢測(POCT);(2)制藥/生命科學(xué)研究(包括測序、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué))。此外其它微流控應(yīng)用也在不斷發(fā)展。
圖4 全球微流控市場規(guī)模及增長率
五、國內(nèi)外主要廠家及產(chǎn)品介紹
(一)國外主要廠家
表4 國外部分微流控產(chǎn)品公司介紹
(二)國內(nèi)主要廠家
中國近年來微流控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)專利數(shù)大幅增長，但是真正產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)還是屈指可數(shù)。
圖5 國內(nèi)主要微流控產(chǎn)品制造商
表5 國內(nèi)部分廠家及其產(chǎn)品介紹
六、總結(jié)
微流控芯片未來一定會被深度產(chǎn)業(yè)化。這是源于目前市場需求的不可逆轉(zhuǎn)、進程加快以及在某些重大領(lǐng)域下該技術(shù)的不可替代性。以生物醫(yī)藥為代表的新型經(jīng)濟很有可能通過它來實現(xiàn)對當(dāng)前產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，進而對整個經(jīng)濟產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
