微流控入门·开篇
很多人在第一次听说微流控的时候，会觉得这是一门特别高大上的技术，不明觉厉。微流控高不高大上我不敢说，但它绝对是个有趣的技术，有极大的应用前景。
其实，我们在日常生活中都或多或少接触过微流体。比如医生用毛细管采指血，其实就是利用流体在微观尺度下所呈现的表面张力大于重力的特性。除了表面张力的特殊性之外，微流体相较于宏流体，还有许多其他不一样的物理性质。而微流控所要做的便是在硬币大小的玻璃芯片或者塑料芯片上，利用微流体的性质，来实现对研究对象以及微环境的精确控制。
图1 Stephen Quake实验室设计的用于培养微生物的微恒化器，利用食物染料对通道进行染色，看上去就像一个集成电路板。每个红色圈圈代表一个反应器，6个可以在一张芯片上平行运行。（硬币直径为18mm）
1.微流控的用途
微流控的发展起源于分析化学领域中微分析技术的发展，比如微型气相色谱、微型液相色谱，毛细管电泳等等。它们的特点是只需要极低的样本量，便可以实现高灵敏度、高精度的检测结果。这些技术的成功，直接催化了研究人员去开发新的更好更通用的技术，让更多的化学分析乃至生物领域的分析技术可以微小化。随着聚合物PDMS（聚二甲基硅氧烷）的广泛应用，微流控迎来了春天。透明、柔软有弹性、大多无生物毒性、易于微纳加工，PDMS是非常理想的用于技术原型的验证材料，大大缩短了微流控应用的验证周期。近20年来，在以PDMS为材料的微流芯片上发展起来的研究和应用越来越多，PCR，免疫荧光，电泳，质谱，药物筛选，细胞捕获和分选等等都可以在利用微流控实现。
2.微流控的优势
说到这里肯定有人要问，以上提到的分析技术，在实验室中用瓶瓶罐罐移液枪，以及传统的分析仪器分分钟就能搞定，为何还要用微流控来做呢？在这个做什么都讲究高通量的时代，微流控的优势便凸显出来了。传统的实验方法也许一次只能分析几个样本，如果用96孔板，最多也不会上百。而一张小小的微流芯片一次可以处理的样本量少则几十，多则成千上万。且可以做到全自动化，省时省力。是不是超赞？
第二个优势是高度集成化。我们来看一下生物实验室中用于扩增DNA的技术PCR（Polymerase chain reaction，聚合酶链式反应），一般都需要哪些流程。首先，在PCR之前要准备反应溶液，需要混匀。溶液准备完之后用PCR仪进行DNA扩增。PCR结束之后通常还需要电泳，对反应产物进行鉴定或分离。你能想象所有的这些反应以及人工的诸如移液和混合的操作，都可以集成在一张小小的芯片上吗（图2）。虽然目前能够集成到微流芯片上的技术还很有限，但这绝对是未来的发展以及突破方向之一。在将来，也许我们每个人的家里，都会常备微流芯片，可以方便地做血常规、病毒检测、或者癌症筛查等等。
图2 PCR试剂及试剂混合，PCR反应，DNA电泳在芯片上的整合
第三个优势是实时观测，定量控制。由于微流芯片是由透明的材料料做成的，所以可以与显微镜或者激光探测仪相结合，芯片中的蛋白或细胞可以通过荧光标记来实时追踪荧光强度和位置。除了光信号外，也可以结合电化学的方法收集电信号。定量控制，主要指的是对微环境的控制，包括观测对象周围的物质浓度，流体速度等等。物质的浓度不仅可以是时空均一的，也可以是随时空变化的浓度场。“实时定量”的结果必然是更加精确的数据，生物物理学家利用这些数据抽象出数学模型，用于解释生物学问题以及进行定量预测。
第四个优势是体积小。与其说是优势，不如说是特点。这个特点带来了很多优势，同时也有很多缺陷。微流通道的特征尺寸一般在百纳米-百微米之间，体积小的直接优势是样本需求量少。我们来做一个简单的计算，对于一个(100?m)^3的微腔室，可以容纳的溶液体积是多少呢？答案是仅仅1nL。实验室中处理的通常都是几毫升-几微升的样本，这样一来就大大节省了样本量。尤其对于一些不容易获得的样本，比如受精卵、组织样本等等，这是一个极大的优势。不过在待检物浓度极低的情况下，样本量少反而成了劣势。例如循环肿瘤干细胞（Circulating tumor cell， CTC）的筛查，在肿瘤患者的血液中，每毫升可能就只有几个CTC，如果CTC不经过富集，要想在微流芯片中检测出来几乎是不可能的。体积小的另一个优势在于高表面积-体积比使得热传导以及扩散混合的速度很快，前者能够保证芯片上精确的温度控制，后者提升了生物化学反应速度及精度。不过，高表面积-体积比也会有一些不利，比如蛋白更容易吸附在表面上，影响蛋白活性。
有人说便宜也是微流控的优势，但其实这个是要分情况的。一张微流芯片成品的成本价确实很低，只要几角-几元钱。但是制备芯片的设备，硅片，以及制作工艺等等，都是比较昂贵的。而成本的降低是一定要通过优化制作工艺以及量产来实现的。另外，微流芯片制备和操作的整套系统与生物实验室的兼容性不好，一般的生物实验室并不会有微纳加工间以及流体控制系统，这也是大多数实验室不愿尝试的原因。当然，这两点都不是微流控在技术上层面上的劣势。
（文章来自：MicroX 作者：剑峰伦 转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）
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