微流控平臺
微流控技術(shù)（Microfluidics）是一種用來(lái)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、分離、檢測等分析功能集成在芯片上的微全分析系統。
作為芯片實(shí)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(mén)涵蓋分離分析、分子生物學(xué)研究、生物醫學(xué)診斷的交叉學(xué)科。由于微米級的結構，流體在微流控芯片中顯示和產(chǎn)生了與宏觀(guān)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(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(gè)體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內微流控芯片的研究；在整個(gè)90年代，微流控芯片更多的被認為是一種分析化學(xué)平臺，因此原則上微流控芯片作為一種“微全分析”技術(shù)平臺可以應用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生化醫療診斷、食品和商品檢驗、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等重要應用領(lǐng)域，其中生物醫學(xué)分析是熱點(diǎn)。
微流控技術(shù)工作原理
微流控芯片采用類(lèi)似半導體的微機電加工技術(shù)在芯片上構建微流路系統，將實(shí)驗與分析過(guò)程轉載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結構上，加載生物樣品和反應液后，采用微機械泵。電水力泵和電滲流等方法驅動(dòng)芯片中緩沖液的流動(dòng)，形成微流路，于芯片上進(jìn)行一種或連續多種的反應。激光誘導熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統以及與質(zhì)譜等分析手段結合的很多檢測手段已經(jīng)被用在微流控芯片中，對樣品進(jìn)行快速、準確和高通量分析。
微流控技術(shù)特點(diǎn)
微流控芯片的最大特點(diǎn)是在一個(gè)芯片上可以形成多功能集成體系和數目眾多的復合體系的微全分析系統。
微流控技術(shù)優(yōu)勢
微流控芯片能把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測等一系列基本操作單元整合到一個(gè)微米尺寸的芯片上，同時(shí)微通道形成的網(wǎng)絡(luò )，能夠貫穿整個(gè)系統，具有便攜、低能耗、易于制作、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，易于滿(mǎn)足生命科學(xué)對生物樣品進(jìn)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(dòng)化
微流控技術(shù)能夠把樣本檢測的多個(gè)步驟集中在一張小小的芯片上，通過(guò)流道的尺寸和曲度、微閥門(mén)、腔體設計的搭配組合來(lái)集成這些操作步驟，最終使整個(gè)檢測集成小型化和自動(dòng)化。
2.高通量
由于微流控可以設計成為多流道，通過(guò)微流道網(wǎng)絡(luò )可以同時(shí)將待檢測樣本分流到多個(gè)反應單位，同時(shí)反應單元之間相互隔離，使各個(gè)反應互不相干擾，因此可以根據需要對同一個(gè)樣本平行進(jìn)行多個(gè)項目的檢測。與常規逐個(gè)項目檢測相比，大大縮短了檢測的時(shí)間，提高了檢測效率，具有高通量的特點(diǎn)。
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(jìn)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(shí)驗室里需要人工完成的各項操作全部集成到芯片上自動(dòng)完成，使人工操作時(shí)樣本對環(huán)境的污染降低到最低程度。
微流控缺點(diǎn)與不足
核心技術(shù)缺乏規范和標準
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(chēng)為“芯片實(shí)驗室”（lab-on-a-chip），在歐洲被稱(chēng)為“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），它是微流控技術(shù)實(shí)現的主要平臺，可以把生物、化學(xué)、醫學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應、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(dòng)完成分析全過(guò)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(jiǎn)單、光學(xué)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(dòng)泵等。
| 材料種類(lèi) | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
| 單晶硅 | 具有化學(xué)惰性和熱穩定性； 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(jìn)行加工及批量生產(chǎn)； |
易碎，價(jià)格貴； 不能透過(guò)紫外光； 電絕緣性能不夠好表面化學(xué)行為較復雜； |
| 玻璃和石英 | 很好的電滲性質(zhì)； 優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)； 可用化學(xué)方法進(jìn)行表面改性可用光刻和蝕刻技術(shù)進(jìn)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(guò)可見(jiàn)與紫外光； 可用化學(xué)方法進(jìn)行表面改性易于加工，可通過(guò)鑄造成型，激光濺射等方法得到深寬比大的能道； 可廉價(jià)大量地生產(chǎn)； |
不耐高溫； 導熱系數低； 表面改性的方法待進(jìn)一步研究； |
| 二甲基硅氧烷（PDMS） | 能重復可逆變形不發(fā)生永性破壞，用模塑法高保真的制備微流控芯片，能透過(guò)300nm以上的紫外可見(jiàn)光，耐用且化學(xué)惰性，無(wú)毒，廉價(jià) | 不耐高溫； 導熱系數低; 表面改性的方法待進(jìn)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(lái)自于微電子行業(yè)的光刻技術(shù)和來(lái)自于表面圖案化的軟光刻技術(shù)。
1. 微流控芯片加工
這一步需考慮結構、成本、管道尺寸、能否量產(chǎn)等問(wèn)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(wèn)題有：高溫性能退化、常溫老化、選擇點(diǎn)密封還是面密封、是否堵塞管道以及能否量產(chǎn)的問(wèn)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. 微流控流體驅動(dòng)
此步需要考慮的主要有泵、閥，包括是選擇主動(dòng)型還是被動(dòng)型，以及是否穩定可靠等。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。目前驅動(dòng)方法主要有：光控法、電驅動(dòng)、磁場(chǎng)法、擠壓囊泡、膜片震動(dòng)、泵推、離心力、剪切力。
4. 氣溶膠污染設計
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、卡扣結構，手工密封。
5. 儀器信號檢測
對微流控液滴信號進(jìn)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(xiàn)。
微流控在體外診斷領(lǐng)域的應用
微流控現在已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)，如今在全球范圍內開(kāi)發(fā)基于微流控的解決方案公司數量超過(guò)一千家。2018年全球微流控產(chǎn)品市場(chǎng)規模達到87億美元，2019至2024年期間的復合年增長(cháng)率高達11.7%，預計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?xún)?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(xué)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(guò)在芯片上模擬生物體的環(huán)境，進(jìn)行細胞、組織和器官培養，研究并控制細胞在體外培養過(guò)程中的生物學(xué)行為，從而實(shí)現模擬生物體環(huán)境的器官移植和藥性評價(jià)等。器官芯片使一個(gè)復雜的系統，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(dòng)態(tài)檢測、療效評估、藥物開(kāi)發(fā)和預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(lài)于單一上皮源性抗體的CTC免疫富集及技術(shù)方法無(wú)法對不同分型的CTC進(jìn)行全面的捕獲、難于無(wú)損釋放CTC、無(wú)法提供深度的分子病理信息。通過(guò)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(guò)構建微流控微柱陣列芯片，實(shí)現CTC的高效捕獲與無(wú)損釋放。該方法在癌癥的精準診斷、用藥指導、療效評估方面具有重要的應用前景。
藥物篩選
藥物篩選是現代藥物開(kāi)發(fā)流程中測試和獲取特定生理活性化合物的一個(gè)步驟。微流控芯片技術(shù)由于具有樣品消耗量小、速度快、柱效高以及所用溶液體系較接近生物體液組成等特點(diǎn)，已經(jīng)成為一種非常具有潛力的藥物及先導化合物的高效篩選工具。
相關(guān)產(chǎn)品
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