微流控技術(shù)
微流控（microfluidics）是一種精確控制和操控微尺度流體， 以在微納米尺度空間中對流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等縮微到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成。是一個(gè)涉及了工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、微加工和生物工程等領(lǐng)域的交叉學(xué)科。
微流控技術(shù)是MEMS技術(shù)在流體處理方面的一個(gè)重要分支，由于這一技術(shù)是生物芯片的基石，2003年被福布斯（Forbes）雜志評為影響人類未來15件最重要的發(fā)明之一。
微流控芯片
微流控芯片(MicrofluidicChip) ，又稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip)或生物 芯片。是利用MEMS技術(shù)將一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)縮微在一個(gè)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(dòng)地完成實(shí)驗(yàn)。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(yùn)動(dòng)過程，從而構(gòu)建完整的化學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)室。
這一技術(shù)將給基因、免疫、微生物和臨床化學(xué)等診斷領(lǐng)域帶來顛覆性突破，使威脅人類健康的諸多疾病如癌癥、心腦血管疾病的早期診斷和預(yù)防成為可能。生物芯片與生物靶向藥物的結(jié)合，推動(dòng)臨床醫(yī)學(xué)全面走向個(gè)性化醫(yī)療診療。
隨著微流控芯片技術(shù)的逐漸展開及微分析技術(shù)的需求，芯片構(gòu)型設(shè)計(jì)越加豐富，出現(xiàn)了一系列形式各異、具有多種微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的芯片構(gòu)型。如電泳芯片分離通道的網(wǎng)絡(luò)形狀主要有：直線型、螺旋型、彎曲蛇形、多邊形、折疊形等。由于生化分析的復(fù)雜性和多樣性需求，微流控芯片技術(shù)的發(fā)展趨于組合化和集成化，經(jīng)常需在一塊芯片基片上集成多種功能單元，如化學(xué)反應(yīng)器、生物反應(yīng)器、過濾裝置等以進(jìn)行多種樣品的分析檢測，以用于DNA測序和突變點(diǎn)檢測，氨基酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞檢測和藥物篩選等。
基于高通量快速分離的需要，多通道陣列并行操作是微流控芯片的發(fā)展趨勢，芯片通道數(shù)量已從最初的12通道、96通道，發(fā)展到384通道。
微流控芯片的制備
微流控芯片通過微細(xì)加工技術(shù)集成各種不同功能的單元，如微反應(yīng)池、微泵、微閥、檢測單元等。微通道加工技術(shù)與以硅材料二維和淺深度加工為主的集成電路芯片不同。微流控芯片微通道的兩個(gè)重要指標(biāo)是深寬比和微通道界面形狀。
深寬比指在基片上形成的微結(jié)構(gòu)的深度特征與寬度特征之比，高深寬比結(jié)構(gòu)加工難度較大。對于直接加工法，形狀特征與腐蝕的方向性有關(guān)，即各向同性或各向異性會(huì)形成不同的幾何形貌特征；對于復(fù)制加工方法，如熱模壓和模塑法等，微通道幾何形狀直接與模板形狀及加工工藝有關(guān)。
1、微流控芯片的材料
微流控芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取材料時(shí)考慮的主要因素是：
① 優(yōu)良的加工性能，便于大批量生產(chǎn)以降低費(fèi)用。
② 生物相容性或化學(xué)惰性，不影響分析試劑、藥物的化學(xué)性質(zhì)；
③ 散熱和絕緣性；
④ 良好的光透性能，適應(yīng)光學(xué)檢測的要求。
另外還要考慮材料的電滲流特性、表面可修飾性及可密封性能等。
到目前為止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、紙等。選擇合適的材料對于制作工藝選擇和微流控芯片的成功應(yīng)用非常重要。
（1） 硅材料
單晶硅是最先嘗試使用的芯片基材。硅及二氧化硅具有良好的化學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性，而且硅的微細(xì)加工技術(shù)已趨成熟。即使復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，也可用整體和表面微加工技術(shù)進(jìn)行高精度的復(fù)制。
硅材料的缺點(diǎn)在于易碎、成本高、不透光、電絕緣性差且表面化學(xué)行為復(fù)雜等，雖然較厚的氧化層（>15 μm）可以提高其絕緣層，但厚氧化層尚無成熟的鍵合方法。上述缺點(diǎn)限制了硅材料在微流控芯片中的廣泛應(yīng)用。但由于硅和聚合物材料間的粘附系數(shù)小，故現(xiàn)常用來制作聚合物微通道芯片時(shí)所用到的模具。
（2） 玻璃
玻璃和石英彌補(bǔ)了單晶硅在電學(xué)和光學(xué)方面的不足，價(jià)廉、易得，具有良好的電滲性和良好的光學(xué)性質(zhì)，為微系統(tǒng)的故障診斷和光學(xué)檢測提供了便利條件； 然而，玻璃和石英微流控芯片存在著制作工藝復(fù)雜，加工成本過高.
而且使用玻璃和石英作基體材料時(shí)，通常使用各向同性腐蝕技術(shù)，很難獲得高深寬比的微結(jié)構(gòu)，深度刻蝕困難，鍵合溫度高和鍵合成品率低，使芯片性能難以改善，且需要相應(yīng)的潔凈條件和制作設(shè)備，工藝過程復(fù)雜。
要想制作對液體操控所必需的微泵和微閥是非常困難的。這些都限制了玻璃微芯片的普及化和深度產(chǎn)業(yè)化。
（3） 高分子聚合物
與硅和玻璃相比，聚合物材料種類多、選擇面廣、價(jià)格便宜，具有良好的絕緣性和透光性，可施加高電場實(shí)現(xiàn)快速分離，成型容易、批量生產(chǎn)成本低，易獲得高深寬比的微結(jié)構(gòu)，微通道表面一般不需或僅需較少修飾，絕大部分聚合物材料對生物樣品或化學(xué)樣品具有相容性，更適合于一次性使用，具有廣闊的應(yīng)用前景，已引起國內(nèi)外極大的關(guān)注。
用于制作微流控芯片的聚合物主要可分為三類：熱塑性聚合物、固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。熱塑性聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）和聚乙烯（PE）等；固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環(huán)氧樹脂和聚氨酯等；溶劑揮發(fā)型聚合物有丙烯酸、橡膠和氟塑料等。其中，常用的有PMMA和PDMS。
PMMA材料具有良好的電絕緣性，可施加高電場進(jìn)行快速分離。透光性好，成本低，成型容易，可選擇多種加工方法，如模壓法、注塑法、準(zhǔn)分子激光微刻蝕加工等，現(xiàn)已得到了極為廣泛的應(yīng)用。
彈性高分子材料PDMS（又稱硅橡膠），具有價(jià)格便宜，絕緣性好，無毒；它的透光性好，能透過250 nm以上的紫外光與可見光，易于檢測；成型容易，批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但PDMS材料制成的微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，疏水性較強(qiáng)，經(jīng)常需要進(jìn)行特別處理來進(jìn)行改進(jìn)。
選擇聚合物做芯片材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)加工工藝、應(yīng)用環(huán)境及檢測方法等諸多因素和聚合物的光電、機(jī)械及化學(xué)性質(zhì)選擇適用的類型，并注意聚合物材料在所使用的環(huán)境下的惰性、電絕緣性、熱性能和表面合適的修飾改性方法等。一般應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：
① 良好的加工性
不同的加工方法對聚合物的加工性有不同的要求。 由于微通道的構(gòu)型越來越趨于復(fù)雜，高深寬比的微通道的優(yōu)點(diǎn)很多，所以聚合物材料應(yīng)具有良好的加工性。
② 良好的電絕緣性和熱性能
由于微流控芯片中的液體驅(qū)動(dòng)經(jīng)常采用電驅(qū)動(dòng)方式，而且芯片經(jīng)常被用于進(jìn)行電泳分離，加高壓電場會(huì)產(chǎn)生熱量，高溫或局部高溫都會(huì)對分離效果造成影響，所以材料應(yīng)有良好的電絕緣性和熱性能。
③ 良好的光學(xué)性質(zhì)
對于熒光檢測和紫外檢測而言，材料必須在相應(yīng)的波長范圍內(nèi)有良好的透光性，才能進(jìn)行有效的檢測。
④ 表面易于修飾改性
聚合物材料的表面易于進(jìn)行改性，如通過紫外、等離子體、激光和化學(xué)處理等，不僅可改變電滲流，而且還可減少樣品的的吸附。
⑤ 在使用條件下材料呈化學(xué)惰性
由于在微分析操作中經(jīng)常要接觸到各種試劑，需要一定抗溶劑能力和耐酸堿能力，因此，在所采用的分析條件下材料應(yīng)是惰性的。
⑥ 根據(jù)應(yīng)用場合合理選擇
當(dāng)制作普通微流控芯片時(shí)，可選用軟化溫度較低的材料，如有機(jī)玻璃或聚苯乙烯；制作PCR與CE集成芯片時(shí)，可選用軟化溫度較高的材料，如聚碳酸酯或聚丙烯等。
（4） 陶瓷
陶瓷材料易碎、透光性不好，但耐高溫，有較高的抗壓強(qiáng)度，采用軟刻蝕或激光加工可制出微通道，適于極限惡劣條件下使用，如航空、太空試驗(yàn)和極地考察等。
（5） 紙
微流控紙芯片（lab-on-paper，紙上微型實(shí)驗(yàn)室）是近幾年發(fā)展的一種新型微流控芯片。用紙張作為基底代替硅、玻璃、高聚物等材料，通過各種加工技術(shù)，在紙上加工出具有一定結(jié)構(gòu)的親/疏水微細(xì)通道網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)分析器件。
與傳統(tǒng)的硅、玻璃、高聚物微流控芯片相比，微流控紙芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：
① 成本更低。紙張來源豐富，且其價(jià)格遠(yuǎn)低于硅、玻璃/石英、甚至高聚物等材質(zhì)；可通過簡單的光刻、蠟印、噴墨打印、繪圖等方式制作二維紙芯片，或通過簡單的折紙或多層紙片疊加的方法制作三維紙芯片，因此紙芯片制作簡便，其加工成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)微流控芯片。
② 分析系統(tǒng)更易微型化、便攜化。濾紙本身具有很強(qiáng)的毛細(xì)管作用，經(jīng)圖案化疏水性處理即能引導(dǎo)溶液有序流動(dòng)，因此無需外置的驅(qū)動(dòng)泵；紙張薄，質(zhì)地輕，且可折疊，因此易于保存和運(yùn)輸。
③ 生物相容性好。濾紙的主要成分為纖維素，具有良好的生物相容性，可以在其表面固定酶、蛋白質(zhì)和DNA等生物大分子。
④ 檢測背景低。紙張通常是白色，有利于在紙芯片上開展比色分析。
⑤ 后處理簡單，無污染。紙芯片使用完后，可通過簡單安全的燃燒方法進(jìn)行處理，不會(huì)對環(huán)境造成污染。
2、微流控芯片的制作技術(shù)
（1）光刻和刻蝕技術(shù)
傳統(tǒng)的用于制作半導(dǎo)體及集成電路芯片的光刻和刻蝕技術(shù)，是微流控芯片加工工藝中最基礎(chǔ)的。它是用光膠、掩膜和紫外光進(jìn)行微細(xì)加工，工藝成熟，已廣泛用于硅、玻璃和石英基片上制作微結(jié)構(gòu)。光刻和刻蝕技術(shù)由薄膜沉積、光刻和刻蝕三個(gè)工序組成。復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)可通過多次重復(fù)薄膜沉積-光刻-刻蝕這三個(gè)工序來完成。
光刻前先要在干凈的基片表面覆蓋一層薄膜，薄膜的厚度為數(shù)埃到幾十微米，這一工藝過程稱之為薄膜沉積。薄膜按性能不同可分為器件工作區(qū)的外延層，限制區(qū)域擴(kuò)張的掩蔽膜，起保護(hù)、鈍化和絕緣作用的絕緣介質(zhì)膜，用作電極引線和器件互連的導(dǎo)電金屬膜等。膜材料常見有二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、多晶硅、電導(dǎo)金屬、光刻抗蝕膠、難熔金屬等。制造加工薄膜的主要方法有氧化、化學(xué)氣相沉積、蒸發(fā)、濺射等。
在薄膜表面均勻地覆蓋上一層光膠，將掩膜上微流控芯片設(shè)計(jì)圖案通過曝光成像的原理轉(zhuǎn)移到光膠層上的工藝過程稱為光刻。光刻技術(shù)一般有以下基本工藝過程構(gòu)成：
①基片的預(yù)處理。
通過脫脂、拋光、酸洗、水洗的方法使基片表面凈化，確保光刻膠與基片表面有良好的粘附。
②涂膠。
在經(jīng)過處理的基片表面均勻涂覆一層粘性好、厚度適當(dāng)?shù)墓饪棠z。膠膜太薄，易生成針孔，抗蝕能力差；太厚則不易徹底顯影，同時(shí)會(huì)降低分辨率。光刻膠的實(shí)際厚度與它的粘度有關(guān)，并與甩膠機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度的平方根成反比。涂膠方法有旋轉(zhuǎn)涂覆法、刷涂法、浸漬法、噴涂法等。
③前烘。
在一定的溫度下，使光刻膠液中溶劑揮發(fā)，增強(qiáng)光刻膠與基片粘附以及膠膜的耐磨性。前烘的溫度和時(shí)間由光致抗蝕劑的種類和厚度決定，常采用電熱恒溫箱、熱空氣或紅外熱源。
前烘溫度和時(shí)間要合適，若溫度過高或時(shí)間過長會(huì)造成顯影時(shí)留下底膜或感光靈敏度下降，腐蝕時(shí)出現(xiàn)小島；若溫度過低或時(shí)間過短，會(huì)造成顯影后針孔增加，或產(chǎn)生浮膠、圖形變形等現(xiàn)象。
④曝光。
將已制備好所需芯片圖形的光刻掩膜覆蓋在基片上，用紫外線等透過掩膜對光刻膠進(jìn)行選擇性照射。受光照射的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在實(shí)際操作中，曝光時(shí)間由光刻膜、膠膜厚度、光源強(qiáng)度以及光源與基片間距決定。曝光的方式有化學(xué)曝光、接觸式和接近式復(fù)印曝光、光學(xué)投影成像曝光。
⑤顯影。
用光膠配套顯影液通過化學(xué)方法除去經(jīng)曝光的光膠（正光膠）或未經(jīng)曝光的光膠（負(fù)光膠），顯影液和顯影時(shí)間的選擇對顯影效果的影響很大。選擇顯影液的原則是，對需要去除的那部分膠膜溶解度大、溶解速度快，對需要保留的那部分溶解度小。顯影時(shí)間視光致抗蝕劑的種類、膠膜厚度、顯影液種類、顯影溫度和操作方法而異。
⑥堅(jiān)膜。
將顯影后的基片進(jìn)行清洗后在一定溫度下烘烤，以徹底除去顯影后殘留于膠膜中的溶劑或水分，使膠膜與基片緊密粘附，防止膠層脫落，并增強(qiáng)膠膜本身的抗蝕能力。堅(jiān)膜的溫度和時(shí)間要合適。
刻蝕是將光膠層上的平面二維圖形轉(zhuǎn)移到薄膜上并進(jìn)而在基片上加工成一定深度微結(jié)構(gòu)的工藝。
根據(jù)刻蝕劑狀態(tài)不同，可將腐蝕工藝分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩大類。濕法刻蝕是通過化學(xué)刻蝕液和被刻蝕物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)將被刻蝕物質(zhì)剝離下來的刻蝕方法。大多數(shù)濕法刻蝕是不容易控制的各向同性腐蝕。
其特點(diǎn)是選擇比高、均勻性好、對硅片損傷少，幾乎適用于所有的金屬、玻璃、塑料等材料。缺點(diǎn)是圖形保真度不強(qiáng)，橫向腐蝕的同時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)側(cè)向鉆蝕，以致刻蝕圖形的最少線寬受到限制。
干法刻蝕指利用高能束與表面薄膜反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。其最大的特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕，即在縱向的刻蝕速率遠(yuǎn)大于橫向刻蝕的速率，從而保證細(xì)小圖形轉(zhuǎn)移后的保真性。干法刻蝕的作用基礎(chǔ)是等離子體。
用光刻的方法加工微流控芯片時(shí)，必須首先制造光刻掩模。掩膜的基本功能是基片受到光束照射時(shí)，在圖形區(qū)和非圖形區(qū)產(chǎn)生不同的光吸收和透過能力。 用計(jì)算機(jī)制圖系統(tǒng)將掩模圖形轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件，再通過專用接口電路控制圖形發(fā)生器中的曝光光源、可變光闌、工作臺(tái)和鏡頭，在掩模材料上刻出所需的圖形?；蛴梦C(jī)通過CAD軟件將設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為圖像文件后，用高分辨率的打印機(jī)將圖像打印到透明薄膜上。此透明薄膜可作為光刻用的掩模, 基本能滿足微流控芯片對掩模的要求。
（2）熱壓法
熱壓法（hot embossing）是一種應(yīng)用較廣泛的快速復(fù)制電泳微通道的芯片制作技術(shù)，適用于PMMA與PC等熱塑性聚合物材料。熱壓法的模具可以是直徑在50 μm以下的金屬絲或是刻蝕有凸突的微通道骨片陽膜，如鎳基陽模、單晶硅陽模、玻璃陽模、微機(jī)械加工的金屬陽模。 此法可大批量復(fù)制，設(shè)備簡單，操作簡便，但所用材料有限。
（3）模塑法
用光刻和刻蝕的方法先制出陽模（所需通道部分突起），澆注液態(tài)的高分子材料，然后將固化后的高分子材料與陽模剝離，得到具有微通道芯片的這種制備微芯片的方法稱為模塑法。模塑法的關(guān)鍵在于模具和高分子材料的選擇，理想的材料應(yīng)相互之間粘附力小，易于脫模。
微通道的陽膜可由硅材料、玻璃、環(huán)氧基SU-8負(fù)光膠和PDMS等制造。硅或玻璃陽膜可采用標(biāo)準(zhǔn)刻蝕技術(shù)。PDMS模具可通過直接澆注于由硅材料、玻璃等材料制的母模上制得。
澆注用的高分子材料應(yīng)具有低粘度，低固化溫度。在重力作用下，可充滿模子上的微通道和凹槽等處。可用的材料有兩類：固化型聚合物和溶劑揮發(fā)型聚合物。
雖然模塑法受限于高分子材料，但該法簡便易行，芯片可大批量復(fù)制，且不需要昂貴的設(shè)備，是一個(gè)可以制作廉價(jià)分析芯片的方法。
（4）注塑法
注塑法的工藝是通過光刻和刻蝕技術(shù)在硅片上刻蝕出電泳芯片陰模，用此陰模進(jìn)行24h左右的電鑄，得到0.5 cm厚的鎳合金模，再將鎳合金模加厚，精心加工制成金屬注塑模具，將此模具安裝在注塑機(jī)上批量生產(chǎn)聚合物微流控芯片基片。
在注塑法制作過程中，模具制作復(fù)雜，技術(shù)要求高，周期長，是整個(gè)工藝過程中的關(guān)鍵步驟。一個(gè)好的模具可生產(chǎn)30 ~ 50萬張聚合物芯片，重復(fù)性好，生產(chǎn)周期短，成本低廉，適宜于已成型的芯片生產(chǎn)。
（5）LIGA技術(shù)
LIGA是德文Lithographie，Galvanoformung，Abformung三個(gè)字的字頭縮寫。LIGA技術(shù)是由光刻、電鑄和塑鑄三個(gè)環(huán)節(jié)組成。
準(zhǔn)LIGA技術(shù)是用紫外光光源來代替LIGA技術(shù)中的同步輻射X光深層光刻，然后進(jìn)行后續(xù)的微電鑄和微復(fù)制工藝。它不需要同步輻射X光光刻和特制的X光掩膜板，有利于實(shí)現(xiàn)微機(jī)械器件的大批量生產(chǎn)。根據(jù)紫外光深層光刻的工藝路線的不同，準(zhǔn)LIGA技術(shù)又可分為多層光刻—LIGA、硅模深刻蝕—LIGA和SU-8深層光刻—LIGA三類。
（6）激光燒蝕法
激光燒蝕法是一種非接觸式的微細(xì)加工技術(shù)。它可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)CAD的數(shù)據(jù)在金屬、塑料、陶瓷等材料上加工復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，已應(yīng)用于微模和微通道的加工。 這種方法對技術(shù)設(shè)備要求較高，步驟簡便，而且不需超凈環(huán)境，精度高。但由于紫外激光能量大，有一定的危險(xiǎn)，需在標(biāo)準(zhǔn)激光實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作，使用安全保護(hù)裝備和防護(hù)眼鏡。
（7）軟光刻
軟光刻（soft lithography）是相對于微制造領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位的光刻而言的微圖形轉(zhuǎn)移和微制造的新方法，以自組裝單分子層、彈性印章和高聚物模塑技術(shù)為基礎(chǔ)的微細(xì)加工新技術(shù)。它能制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)及不規(guī)則曲面；能應(yīng)用于生物高分子、膠體、玻璃、陶瓷等多種材料；沒有相關(guān)散射帶來的精度限制，可以達(dá)到30 nm ~ 1 μm級的微小尺寸； 因此軟光刻是一種便宜、方便，適于實(shí)驗(yàn)室使用的技術(shù)。
軟光刻技術(shù)的核心是彈性模印章，可通過光刻蝕和模塑的方法制得。PDMS是軟光刻中最常用的彈性模印章。軟光刻的關(guān)鍵技術(shù)主要包括微接觸印刷、再鑄模、微傳遞成模、毛細(xì)管成模、溶劑輔助成模等。
軟光刻技術(shù)還存在著一些缺陷，如PDMS固化后有1%的收縮變形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深寬比將出現(xiàn)一定的膨脹；PDMS的彈性和熱膨脹性使其很難獲得高的準(zhǔn)確性，也使軟光刻在多層面的微加工中受到限制；由于彈性模太軟，無法獲得大的深寬比，太大或太小的寬深比都將導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的變形或扭曲。
如今微流控芯片已經(jīng)成為涵蓋了從分離分析、化學(xué)合成、醫(yī)學(xué)診斷學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、微生物學(xué)等一系列應(yīng)用研究領(lǐng)域的綜合性交叉學(xué)科。
微流控技術(shù)的應(yīng)用
基于微流控芯片的代表性關(guān)鍵技術(shù)
① 微流控分析芯片是新一代床旁診斷（Point of care testing, POCT）主流技術(shù)，可直接在被檢對象身邊提供快捷有效的生化指標(biāo)，使現(xiàn)場檢測、診斷、治療成為一個(gè)連續(xù)的過程；
② 微流控反應(yīng)芯片以液滴為代表，是迄今為止最重要的微反應(yīng)器，在高通量藥物篩選，單細(xì)胞測序等領(lǐng)域顯示了巨大的威力；
③ 微流控細(xì)胞/器官操控芯片是哺乳動(dòng)物細(xì)胞及其微環(huán)境操控最重要技術(shù)平臺(tái)，渴望部分代替小白鼠等動(dòng)物模型，用于驗(yàn)證候選藥物，開展藥物毒理和藥理作用研究。
1、新一代床旁診斷（POCT）技術(shù)——Microfluidics-based POCT
POCT可直接在被檢者身邊提供快捷有效的生化指標(biāo)，現(xiàn)場指導(dǎo)用藥，使檢測、診斷、治療成為一個(gè)連續(xù)過程，對于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和治療具有突破性的意義。
POCT儀器發(fā)展趨勢應(yīng)是小型化、“傻瓜”式，操作簡單，無需專業(yè)人員，直接輸入體液樣本，即可迅速得到診斷結(jié)果，并將信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由醫(yī)生指導(dǎo)保健。目前，市場上有多種即時(shí)診斷方法，簡單的流動(dòng)測試工作沒有流體管理技術(shù)，而當(dāng)測試復(fù)雜性增加時(shí)，微流控技術(shù)是必要的。
微流控芯片所具有的多種單元技術(shù)在微小可控平臺(tái)上靈活組合和規(guī)模集成的特點(diǎn)已使其成為現(xiàn)代POCT技術(shù)的首選，經(jīng)過近年的發(fā)展，已涌現(xiàn)了一批微流控芯片POCT分子診斷和免疫診斷的成功案例。
POCT-用于免疫檢測主動(dòng)式微流控芯片
動(dòng)式微流控技術(shù)與其他POCT技術(shù)的區(qū)別
2、PCR-微流控芯片CE
微型反應(yīng)器是芯片實(shí)驗(yàn)室中常用的用于生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如毛細(xì)管電泳、聚合酶鏈反應(yīng)、酶反應(yīng)和DNA 雜交反應(yīng)的微型反應(yīng)器等 。其中電壓驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管電泳(Capillary Electrophoresis ， CE) 比較容易在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)，因而成為其中發(fā)展最快的技術(shù)。
它是在芯片上蝕刻毛細(xì)管通道，在電滲流的作用下樣品液在通道中泳動(dòng)，完成對樣品的檢測分析，如果在芯片上構(gòu)建毛細(xì)管陣列，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成對數(shù)百種樣品的平行分析。
國際上公認(rèn)的PCR 產(chǎn)物檢測共有五種方法，按其靈敏度高低順序排列為：毛細(xì)管電泳法、固相雜交法、液相雜交法、高壓液相雜交法和凝膠電泳法(不推薦臨床) 。
微流控芯片CE 以毛細(xì)管電泳為該芯片主體，無需進(jìn)行探針雜交，受檢樣品的信號獲得率接近百分之百。
微流控芯片CE 可檢測15~7500bp范圍的PCR 產(chǎn)物，分辨率可達(dá)20bp ，樣品微量化使擴(kuò)散進(jìn)一步減少，分離效果極好，每孔可供多個(gè)不同的PCR 產(chǎn)物作同時(shí)分析。
目前其應(yīng)用主要集中在核酸分離和定量、DNA 測序、基因突變和基因差異表達(dá)分析等。另外，蛋白質(zhì)的篩分在微流控芯片中也已有報(bào)道針對病原微生物基因組的特征性片段、染色體DNA 的序列多態(tài)型基因變異的位點(diǎn)及特征等，設(shè)計(jì)和選擇合適的核酸探針，經(jīng)PCR 擴(kuò)增后檢測，就能獲得病原微生物種屬、亞型、毒力、抗藥、致病、同源性、多態(tài)型、變異和表達(dá)等信息，為疾病的診斷和治療提供一個(gè)很好的切入點(diǎn)。
自1992 年微流控芯片CE 首次報(bào)道以來，進(jìn)展很快。首臺(tái)商品儀器是微流控芯片CE ( 生化分析儀，Aglient) ，可提供用于核酸及蛋白質(zhì)分析的微流控芯片產(chǎn)品。
3、哺乳動(dòng)物細(xì)胞及其微環(huán)境操控平臺(tái)——微流控芯片仿生實(shí)驗(yàn)室
由于微流控芯片的構(gòu)件尺寸和細(xì)胞吻合，并可同時(shí)測定物理量、化學(xué)量和生物量，它已成為對哺乳動(dòng)物細(xì)胞及其微環(huán)境進(jìn)行操控的最具潛力的平臺(tái)。
目前已可以構(gòu)建微米量級且相對封閉的三維細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等操作單元，并把這些單元成功延伸到組織和器官。
器官芯片是一種更接近仿生體系的模式，可在一塊幾平方厘米的芯片中培養(yǎng)各種活體細(xì)胞，形成組織器官，乃至由不同器官芯片進(jìn)一步組成活體芯片，從而模擬一個(gè)活體的行為并研究活體中整體和局部的種種關(guān)系。
在藥學(xué)領(lǐng)域，器官芯片將被部分替代小白鼠等模型動(dòng)物，用于驗(yàn)證候選藥物，開展毒理和藥理作用研究。
細(xì)胞培養(yǎng)微流控芯片
微流控芯片技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，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)。
隨著微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控芯片技術(shù)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。
阻礙微流控技術(shù)發(fā)展的瓶頸包括制造加工、集成度以及與宏觀系統(tǒng)的接口等應(yīng)用方面的問題。今后微流控芯片會(huì)朝著分析成分的多樣化、制作基材的多樣化、研究方法的多樣化和系統(tǒng)的微型化與集成化的方向發(fā)展。
集中在大規(guī)模、高通量、低消耗的生命科學(xué)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，包括單細(xì)胞培養(yǎng)與分析、干細(xì)胞操控與培養(yǎng)、單分子生物物理學(xué)、高通量的細(xì)胞與分子生物學(xué)篩選實(shí)驗(yàn)、藥物發(fā)現(xiàn)、高通量合成生物學(xué)、高通量測序技術(shù)、單細(xì)胞基因組學(xué)等。
基于微流控人體體液的生化分析也特別適合目前大火的互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療。 智能檢測或診斷的醫(yī)療器械終端（家用）與互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)結(jié)合，這一塊也將大大的推進(jìn)了人類醫(yī)療健康系統(tǒng)的發(fā)展。