微流控的前世今生

什么是微流控？微流控就是利用数十到数百微米尺寸的孔道来操控微量液体（10-9~10-18L）流动的系统科学与技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。微流控的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质，如层流和液滴等。借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。目前，微流控被认为在生物医学研究中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。

作为一项技术，微流控似乎好到难以置信：它有太多的优点，但缺点很少（至少在主要的分析应用中是这样）。但它仍未被广泛应用。什么原因呢？为何大多数生化实验室至今仍并未配备“实验室芯片”？为何医院并未使用微流控检测系统来监测病人的病况？芯片与任何远程的东西交互存在一定问题，更不用说将具有全功能样品前处理、检测和微流控技术都集成在同一基质中。由于微流控技术的微小通道及其所需部件，在设计时所遇到的喷射问题，与大尺度的液相色谱相比，更加困难。但我们相信，微流控将成为分子分析（也可能合成）的主要手段：它所展现出来的优势很吸人眼球。

微流控领域有四个起源：分子分析，生物防御，分子生物学和微电子学。

第一是分析。微流控的远祖是微分析法——气相色谱（GPC）、高压液相色谱（HPLC）和毛细管电泳（CE）——在毛细管形式上是革命性的化学分析方法。这些方法（结合了光学检测），仅用非常少量样本，就可能同时获得高灵敏度和高分辨率。使用这些成功的微分析方法，似乎可以开发新型、更加简单紧凑、更加多功能化的分析模式，还可以开发其在化学、生物化学上的应用。

第二个推动微流控发展并走向实用的动力是冷战以后，美国如何应对主要军事强敌和恐怖威胁。为了应对这些威胁，美国国防部国防高级研究计划局于上世纪90年代支持了一系列的项目，旨在开发一个可用于检测化学和生物威胁的现场部署即用微流控系统。该项目是学术领域微流控技术得以迅速发展的主要动力。

第三个发展动力来自于分子生物学。上世纪80年代兴起的基因组学探索，随之其它与分子生物学相关的微分析领域的进步，例如高通量的基因测序，都呼唤比当时已经在生物学上反复研究的方法具有更高通量、更高灵敏度和分辨率的新分析方法的产生。而微流控提供了一条解决这些问题的途径。

第四个动力来自于微电子学的发展。最初设想是将光刻、硅微电子和微机电系统直接应用于微流控系统。早期的一些微流体研究使用的材料是玻璃和硅，后来更多的使用高分子聚合物。在分析水样中的生物样品的时候，硅和玻璃制备的器件，往往不太合适。硅材料价格昂贵，而且不能透过可见光和紫外光，因此不能与传统的光线检测方法并用。而使用具有弹性的材料，比使用刚性的材料，更容易制备微分析系统所需要的组件，尤其是泵和阀门。而无论是硅还是玻璃，都不具备研究哺乳动物活细胞所需要的性能，尤其是透气性。因此，微流控设备的开发并没有复制硅微电子设备的模式。很多微流体系统的探索性研究是基于聚合物——例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）——展开的。它的物理化学性能与硅有本质的区别。PDMS在光学上是透明的，柔软且具有弹性。无论PDMS，还是工程学材料（例如聚碳酸酯或聚烯烃），谁终将广泛使用于微流控设备中，还尚未定论。然而，对于PDMS的易用性测试，及其能够在某些非常有用的组件（例如气动阀门）上使用，都使它成为早期探索性研究和工程研究关键材料。微电子技术确实是微流控技术发展不可或缺的关键技术所在。由于硅和玻璃具有机械上的稳定性，在纳米流体研究（流体在纳米尺寸——理想状态下小于50 nm）的早期都曾被使用。