突破時(shí)間、空間限制的微流控技術(shù)

作為芯片實(shí)驗(yàn)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(yī)學(xué)診斷的交叉學(xué)科。

微流控技術(shù)是指對(duì)極微量流體(10-9~10-18L)精確控制的一種技術(shù)手段。微流控芯片則是將生物和化學(xué)基本功能單元集成的一個(gè)小型芯片。

作為一種新興的科學(xué)技術(shù)，微流控研究已經(jīng)涉及化學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)和物理學(xué)等諸多領(lǐng)域，學(xué)科交叉性強(qiáng)，在時(shí)間、空間和分析對(duì)象的精密操控上進(jìn)行突破，能夠解決生命分析的許多關(guān)鍵問(wèn)題。

微流控技術(shù)優(yōu)勢(shì)

生命分析技術(shù)不斷發(fā)展，在新的時(shí)代背景，又面臨新挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇：要求在特別小的空間，特定的時(shí)間，特定的外界條件進(jìn)行物質(zhì)定性、定量、結(jié)構(gòu)分析、形貌分析等工作。

而微流控技術(shù)的出現(xiàn)為生命分析面臨的三大特殊挑戰(zhàn)提供了有力的操控工具。微流控技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

集成小型化與自動(dòng)化

通過(guò)流道的尺寸和曲度、微閥門(mén)、腔體設(shè)計(jì)的搭配組合實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的集成小型化和自動(dòng)化。

高通量分析

芯片設(shè)計(jì)多流道、多個(gè)反應(yīng)單元的相互隔離，使各個(gè)反應(yīng)互不干擾。

檢測(cè)試劑消耗少，樣本量需求少

微流控芯片反應(yīng)單元腔體特別小，試劑使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)操作。

污染少

芯片集成功能避免了人工操作的污染。

微流控技術(shù)將持續(xù)推動(dòng)生命分析化學(xué)的發(fā)展。我國(guó)微流控技術(shù)持續(xù)高速發(fā)展，從web of science收錄的期刊論文數(shù)量來(lái)看，3年前來(lái)自中國(guó)學(xué)者的學(xué)術(shù)論文占比不到10%，現(xiàn)在已經(jīng)上升到24%，已成為僅次于美國(guó)的微流控技術(shù)強(qiáng)國(guó)。

微流控技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

從市場(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，目前還只是集中在生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域，其他更多還處于科研探索階段。

體外診斷(IVD)

從目前的應(yīng)用來(lái)看，體外診斷是微流控技術(shù)的最大應(yīng)用場(chǎng)景。而體外診斷中，微流控技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用在于化學(xué)發(fā)光(免疫診斷)和分子診斷中。

作為IVD的細(xì)分，POCT是現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)采樣分析、快速得到檢測(cè)結(jié)果的一類新檢測(cè)方法。POCT近年發(fā)展趨勢(shì)良好，市值穩(wěn)健增長(zhǎng)，2018年P(guān)OCT全球市值近250億美金。

雅培i-STAT血?dú)夥治鰞x臨床血液分析系統(tǒng) ，是微流控技術(shù)商業(yè)化的 POCT經(jīng)典之作。

Bio-Rad、Stilla Technologies等公司生產(chǎn)的微滴式數(shù)字PCR用到微流控技術(shù)。

羅氏分子診斷產(chǎn)品——羅氏cobas Liat也是用到了非傳統(tǒng)的微流控芯片結(jié)構(gòu)。

生命研究

器官芯片。微流控器官芯片是只有手機(jī)記憶卡大小的人體器官微縮模型，可以使研究人員用前所未有的方式檢驗(yàn)生物機(jī)制和行為、檢驗(yàn)過(guò)程、控制過(guò)程，能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)研究和藥物制造帶來(lái)徹底變革。

DNA分析和測(cè)序。Illumina、賽默飛等公司基因測(cè)序儀也使用了微流控技術(shù)來(lái)流動(dòng)細(xì)胞。

當(dāng)然除了以上應(yīng)用領(lǐng)域，微流控技術(shù)在日用方面也嶄露頭角。美妝大亨香奈兒公司在2017年推出一款基于微液滴技術(shù)的山茶花保乳霜，據(jù)了解，這些乳霜液滴在皮膚上立即爆裂，保濕效果卓越。

香奈兒山茶花保濕乳霜

微流控生命分析前沿

成分分析

基因測(cè)序是核酸分析的根本手段。毛細(xì)管電泳技術(shù)是經(jīng)典測(cè)序法——Sanger測(cè)序的主要原理，微流控技術(shù)結(jié)合毛細(xì)管電泳技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)利用芯片的大規(guī)模高通量測(cè)序。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的基礎(chǔ)，如何得到所需蛋白的單質(zhì)結(jié)晶是確定整個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要瓶頸。微流控芯片上管道和流路精確可控、高度集成，從而為蛋白質(zhì)結(jié)晶過(guò)程中的條件優(yōu)化提供了一種新型平臺(tái)

組學(xué)分析

人類疾病的發(fā)生與發(fā)展涉及到基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀組、蛋白組及代謝組等多個(gè)不同層次的病理過(guò)程。微流控技術(shù)在基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組學(xué)研究中也是一大熱門(mén)，這里不展開(kāi)敘述。

單細(xì)胞分析

一方面微流控毛細(xì)管電泳芯片通道直徑通常為10-100 m，與單個(gè)生物細(xì)胞在尺寸上具有相容性；另一方面微流控毛細(xì)管電泳芯片具有網(wǎng)格式二維或者三維通道，非常容易操縱單細(xì)胞尺寸的目標(biāo)物。所以，通過(guò)微流控芯片進(jìn)行單細(xì)胞分析日益受到人們的重視。最近比較熱門(mén)的微流控單細(xì)胞質(zhì)譜分析，通過(guò)微流控結(jié)構(gòu)構(gòu)建，結(jié)合流體、重力、表面功能化，等基本方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞的空間陣列化、定位和識(shí)別。

微流控周邊學(xué)科/產(chǎn)業(yè)發(fā)展

微流控技術(shù)作為一門(mén)交叉性學(xué)科，其技術(shù)進(jìn)步將帶動(dòng)多學(xué)科的共同發(fā)展：

物理學(xué)科：研究?jī)?nèi)容包括微納尺度結(jié)構(gòu)-流體相互作用；軟物質(zhì)物理；石油開(kāi)采；晶體物理模擬；流體力學(xué)。

工程學(xué)：研究?jī)?nèi)容包括微納加工、3D打印、4D材料、折疊技術(shù)、人工智能、智能控制。

儀器：微型化、核心芯片、功能集成化、新功能

材料：功能材料制備和表征、芯片材料

分子生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)以及化學(xué)的技術(shù)和進(jìn)步。

微流控學(xué)科出現(xiàn)多學(xué)科綜合和多學(xué)科融合的特點(diǎn)，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展提出了新的要求，特別是跨學(xué)科的合作、溝通將成為其發(fā)展的關(guān)鍵。

微納流控發(fā)展及展望

微流控技術(shù)，稱它是“顛覆性技術(shù)”絲毫不過(guò)。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，微流控芯片技術(shù)的出現(xiàn)極大促進(jìn)了微型化操作和分析方法的研究進(jìn)展。盡管微流控技術(shù)只經(jīng)歷了短短30年的發(fā)展，其已經(jīng)從最初單純的毛細(xì)管電泳的微型化技術(shù)，演變成為一種涵蓋了從基礎(chǔ)生物技術(shù)到生物醫(yī)學(xué)診斷等各個(gè)領(lǐng)域的富有活力的工具性方法平臺(tái)。

從目前的發(fā)展水平看，微流控分析芯片已突破其發(fā)展初期在加工技術(shù)及基本流控技術(shù)上的主要難關(guān)，正在進(jìn)入一個(gè)開(kāi)展更深入的基礎(chǔ)研究，廣泛擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，及深度產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)折時(shí)期。

微流控技術(shù)發(fā)展前景巨大，與其他的代表性技術(shù)會(huì)在更為廣泛的研究領(lǐng)域中交叉滲透，快速發(fā)展，而且也會(huì)更加直接地深入到人們的日常生活甚至平常使用的器件當(dāng)中，在未來(lái)，很大可能會(huì)影響甚至改變現(xiàn)有生物、化學(xué)檢測(cè)方式。