微流控技术“颠覆”在哪里?

　　突破时间、空间限制的微流控技术

　　作为芯片实验室(Lab on chip)的典型代表技术，微流控技术发展迅速，目前已经发展成为一门涵盖分离分析、分子生物学研究、生物医学诊断的交叉学科。

　　微流控技术是指对极微量流体(10-9~10-18L)精确控制的一种技术手段。微流控芯片则是将生物和化学基本功能单元集成的一个小型芯片。

　　作为一种新兴的科学技术，微流控研究已经涉及化学、生物学、工程学和物理学等诸多领域，学科交叉性强，在时间、空间和分析对象的精密操控上进行突破，能够解决生命分析的许多关键问题。

　　微流控技术优势

　　生命分析技术不断发展，在新的时代背景，又面临新挑战和发展机遇：要求在特别小的空间，特定的时间，特定的外界条件进行物质定性、定量、结构分析、形貌分析等工作。

　　而微流控技术的出现为生命分析面临的三大特殊挑战提供了有力的操控工具。微流控技术具有如下特点：

　　集成小型化与自动化

　　通过流道的尺寸和曲度、微阀门、腔体设计的搭配组合实现检测的集成小型化和自动化。

　　高通量分析

　　芯片设计多流道、多个反应单元的相互隔离，使各个反应互不干扰。

　　检测试剂消耗少，样本量需求少

　　微流控芯片反应单元腔体特别小，试剂使用量远远低于常规操作。

　　污染少

　　芯片集成功能避免了人工操作的污染。

　　微流控技术将持续推动生命分析化学的发展。我国微流控技术持续高速发展，从web of science收录的期刊论文数量来看，3年前来自中国学者的学术论文占比不到10%，现在已经上升到24%，已成为仅次于美国的微流控技术强国。

　　微流控技术实际应用

　　从市场应用来看，目前还只是集中在生物、医药等领域，其他更多还处于科研探索阶段。

　　体外诊断(IVD)

　　从目前的应用来看，体外诊断是微流控技术的最大应用场景。而体外诊断中，微流控技术的重点应用在于化学发光(免疫诊断)和分子诊断中。

　　作为IVD的细分，POCT是现场即时采样分析、快速得到检测结果的一类新检测方法。POCT近年发展趋势良好，市值稳健增长，2018年POCT全球市值近250亿美金。

　　雅培i-STAT血气分析仪临床血液分析系统 ，是微流控技术商业化的 POCT经典之作。

　　Bio-Rad、Stilla Technologies等公司生产的微滴式数字PCR用到微流控技术。

　　罗氏分子诊断产品——罗氏cobas Liat也是用到了非传统的微流控芯片结构。

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　　生命研究

　　器官芯片。微流控器官芯片是只有手机记忆卡大小的人体器官微缩模型，可以使研究人员用前所未有的方式检验生物机制和行为、检验过程、控制过程，能够为医学研究和药物制造带来彻底变革。

　　DNA分析和测序。Illumina、赛默飞等公司基因测序仪也使用了微流控技术来流动细胞。

　　当然除了以上应用领域，微流控技术在日用方面也崭露头角。美妆大亨香奈儿公司在2017年推出一款基于微液滴技术的山茶花保乳霜，据了解，这些乳霜液滴在皮肤上立即爆裂，保湿效果卓越。

香奈儿山茶花保湿乳霜

　　微流控生命分析前沿

　　成分分析

　　基因测序是核酸分析的根本手段。毛细管电泳技术是经典测序法——Sanger测序的主要原理，微流控技术结合毛细管电泳技术，能够实现利用芯片的大规模高通量测序。

　　蛋白质结构解析是结构生物学的基础，如何得到所需蛋白的单质结晶是确定整个蛋白质结构的一个主要瓶颈。微流控芯片上管道和流路精确可控、高度集成，从而为蛋白质结晶过程中的条件优化提供了一种新型平台

　　组学分析

　　人类疾病的发生与发展涉及到基因组、转录组、表观组、蛋白组及代谢组等多个不同层次的病理过程。微流控技术在基因组、蛋白质组和代谢组学研究中也是一大热门，这里不展开叙述。

　　单细胞分析

　　一方面微流控毛细管电泳芯片通道直径通常为10-100μm，与单个生物细胞在尺寸上具有相容性；另一方面微流控毛细管电泳芯片具有网格式二维或者三维通道，非常容易操纵单细胞尺寸的目标物。所以，通过微流控芯片进行单细胞分析日益受到人们的重视。最近比较热门的微流控单细胞质谱分析，通过微流控结构构建，结合流体、重力、表面功能化，等基本方法，实现对单细胞的空间阵列化、定位和识别。

　　微流控周边学科/产业发展

　　微流控技术作为一门交叉性学科，其技术进步将带动多学科的共同发展：

　　物理学科：研究内容包括微纳尺度结构-流体相互作用；软物质物理；石油开采；晶体物理模拟；流体力学。

　　工程学：研究内容包括微纳加工、3D打印、4D材料、折叠技术、人工智能、智能控制。

　　仪器：微型化、核心芯片、功能集成化、新功能

　　材料：功能材料制备和表征、芯片材料

　　分子生物学、细胞学以及化学的技术和进步。

　　微流控学科出现多学科综合和多学科融合的特点，对该领域的发展提出了新的要求，特别是跨学科的合作、沟通将成为其发展的关键。

　　微纳流控发展及展望

　　微流控技术，称它是“颠覆性技术”丝毫不过。

　　自20世纪90年代以来，微流控芯片技术的出现极大促进了微型化操作和分析方法的研究进展。尽管微流控技术只经历了短短30年的发展，其已经从最初单纯的毛细管电泳的微型化技术，演变成为一种涵盖了从基础生物技术到生物医学诊断等各个领域的富有活力的工具性方法平台。

　　从目前的发展水平看，微流控分析芯片已突破其发展初期在加工技术及基本流控技术上的主要难关，正在进入一个开展更深入的基础研究，广泛扩大应用领域，及深度产业化的转折时期。

　　微流控技术发展前景巨大，与其他的代表性技术会在更为广泛的研究领域中交叉渗透，快速发展，而且也会更加直接地深入到人们的日常生活甚至平常使用的器件当中，在未来，很大可能会影响甚至改变现有生物、化学检测方式。

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