微流控技术的起源

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

临床医学全面走向个性化医疗诊疗是当今医学发展的一大方向，精准的体外诊断技术是正确诊疗的基本保证。而体外诊断基本主要是基于体液（血液，尿液，唾液）的分析，对于这些体液的操控，自动化肯定是个大趋势。

那么对于液体的自动化操控，正是我们微流控要干的事情。所以，体外诊断（IVD）里除去试剂的研发，后续的自动化检测，基本避不开微流控。这就是微流控技术必将火起来的基础。

微流控技术

微流控（microfluidics）是一种精确控制和操控微尺度流体，以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科。

微流控技术是MEMS技术在流体处理方面的一个重要分支，由于这一技术是生物芯片的基石，2003年被福布斯（Forbes）杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。

微流控技术的起源

微型化、集成化和智能化，是现代科技发展的一个重要趋势。伴随着微机电加工系统（MEMS）技术的发展，电子计算机已由当年的“庞然大物”演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统，甚至是一部微型的智能手机。

MEMS技术全称Micro Electromechanical System，MEMS设想是由诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman教授于1959年提出，其基本概念是用半导体技术，将现实生活中的机械系统微
型化，形成微型电子机械系统，简称微机电系统。

1962年全球第一款微型压力传感器面世，这一创新产品后来被应用于汽车安全（轮胎压力检测）
和医疗（有创血压计），开启了MEMS时代。今天MEMS技术在军事、航天航空，生物医药、工
业交通及消费领域扮演核心技术的角色，智能手机中就嵌入了多个MEMS芯片，如麦克风，加速
度计，GPS定位等。

MEMS被广泛应用于军事与航空航天、工业与交通、通讯、生物医药、消费市场。

微流控芯片

微流控芯片(MicrofluidicChip) ，又称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或生物芯片。是利用MEMS技术将一个大型实验室系统缩微在一个玻璃或塑料基板上，从而复制复杂的生物学和化学反应全过程，快速自动地完成实验。其特征是在微米级尺度构造出容纳流体的通道、反应室和其它功能部件，操控微米体积的流体在微小空间中的运动过程，从而构建完整的化学或生物实验室。

这一技术将给基因、免疫、微生物和临床化学等诊断领域带来颠覆性突破，使威胁人类健康的诸多疾病如癌症、心脑血管疾病的早期诊断和预防成为可能。生物芯片与生物靶向药物的结合，推动临床医学全面走向个性化医疗诊疗。

随着微流控芯片技术的逐渐展开及微分析技术的需求，芯片构型设计越加丰富，出现了一系列形式各异、具有多种微通道网络结构的芯片构型。如电泳芯片分离通道的网络形状主要有：直线型、螺旋型、弯曲蛇形、多边形、折叠形等。由于生化分析的复杂性和多样性需求，微流控芯片技术的发展趋于组合化和集成化，经常需在一块芯片基片上集成多种功能单元，如化学反应器、生物反应器、过滤装置等以进行多种样品的分析检测，以用于DNA测序和突变点检测，氨基酸、蛋白质、细胞检测和药物筛选等。

基于高通量快速分离的需要，多通道阵列并行操作是微流控芯片的发展趋势，芯片通道数量已从最初的12通道、96通道，发展到384通道。

微流控芯片的制备

微流控芯片通过微细加工技术集成各种不同功能的单元，如微反应池、微泵、微阀、检测单元等。微通道加工技术与以硅材料二维和浅深度加工为主的集成电路芯片不同。微流控芯片微通道的两个重要指标是深宽比和微通道界面形状。

深宽比指在基片上形成的微结构的深度特征与宽度特征之比，高深宽比结构加工难度较大。对于直接加工法，形状特征与腐蚀的方向性有关，即各向同性或各向异性会形成不同的几何形貌特征；对于复制加工方法，如热模压和模塑法等，微通道几何形状直接与模板形状及加工工艺有关。

1、微流控芯片的材料

微流控芯片结构设计选取材料时考虑的主要因素是：

① 优良的加工性能，便于大批量生产以降低费用。

② 生物相容性或化学惰性，不影响分析试剂、药物的化学性质；

③ 散热和绝缘性；

④ 良好的光透性能，适应光学检测的要求。

另外还要考虑材料的电渗流特性、表面可修饰性及可密封性能等。