突破時間、空間限制的微流控技術(shù)

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。

微流控技術(shù)是指對極微量流體(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基本功能單元集成的一個小型芯片。

作為一種新興的科學技術(shù)，微流控研究已經(jīng)涉及化學、生物學、工程學和物理學等諸多領域，學科交叉性強，在時間、空間和分析對象的精密操控上進行突破，能夠解決生命分析的許多關(guān)鍵問題。

微流控技術(shù)優(yōu)勢

生命分析技術(shù)不斷發(fā)展，在新的時代背景，又面臨新挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇：要求在特別小的空間，特定的時間，特定的外界條件進行物質(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：

集成小型化與自動化

通過流道的尺寸和曲度、微閥門、腔體設計的搭配組合實現(xiàn)檢測的集成小型化和自動化。

高通量分析

芯片設計多流道、多個反應單元的相互隔離，使各個反應互不干擾。

檢測試劑消耗少，樣本量需求少

微流控芯片反應單元腔體特別小，試劑使用量遠遠低于常規(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)推動生命分析化學的發(fā)展。我國微流控技術(shù)持續(xù)高速發(fā)展，從web of science收錄的期刊論文數(shù)量來看，3年前來自中國學者的學術(shù)論文占比不到10%，現(xiàn)在已經(jīng)上升到24%，已成為僅次于美國的微流控技術(shù)強國。

微流控技術(shù)實際應用

從市場應用來看，目前還只是集中在生物、醫(yī)藥等領域，其他更多還處于科研探索階段。

體外診斷(IVD)

從目前的應用來看，體外診斷是微流控技術(shù)的最大應用場景。而體外診斷中，微流控技術(shù)的重點應用在于化學發(fā)光(免疫診斷)和分子診斷中。

作為IVD的細分，POCT是現(xiàn)場即時采樣分析、快速得到檢測結(jié)果的一類新檢測方法。POCT近年發(fā)展趨勢良好，市值穩(wěn)健增長，2018年P(guān)OCT全球市值近250億美金。

雅培i-STAT血氣分析儀臨床血液分析系統(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生物機制和行為、檢驗過程、控制過程，能夠為醫(yī)學研究和藥物制造帶來徹底變革。

DNA分析和測序。Illumina、賽默飛等公司基因測序儀也使用了微流控技術(shù)來流動細胞。

當然除了以上應用領域，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

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

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析是結(jié)構(gòu)生物學的基礎，如何得到所需蛋白的單質(zhì)結(jié)晶是確定整個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個主要瓶頸。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)晶過程中的條件優(yōu)化提供了一種新型平臺

組學分析

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不同層次的病理過程。微流控技術(shù)在基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組學研究中也是一大熱門，這里不展開敘述。

單細胞分析

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

微流控周邊學科/產(chǎn)業(yè)發(fā)展

微流控技術(shù)作為一門交叉性學科，其技術(shù)進步將帶動多學科的共同發(fā)展：

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

工程學：研究內(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、細胞學以及化學的技術(shù)和進步。

微流控學科出現(xiàn)多學科綜合和多學科融合的特點，對該領域的發(fā)展提出了新的要求，特別是跨學科的合作、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。

自20世紀90年代以來，微流控芯片技術(shù)的出現(xiàn)極大促進了微型化操作和分析方法的研究進展。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)從最初單純的毛細管電泳的微型化技術(shù)，演變成為一種涵蓋了從基礎生物技術(shù)到生物醫(yī)學診斷等各個領域的富有活力的工具性方法平臺。

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)，正在進入一個開展更深入的基礎研究，廣泛擴大應用領域，及深度產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)折時期。

微流控技術(shù)發(fā)展前景巨大，與其他的代表性技術(shù)會在更為廣泛的研究領域中交叉滲透，快速發(fā)展，而且也會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中，在未來，很大可能會影響甚至改變現(xiàn)有生物、化學檢測方式。