引言

1990年，Manz等人首次在芯片上实现了电泳分离，该操作此前仅在毛细管中进行，这一工作展示了微流控技术作为分析化学工具的潜力。1998年，Whitesides等人利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和软光刻技术，开发了新型微流控系统的设计与制造方法。随后，Quake等人成功制备出高密度集成微流控芯片，其内部包含数千个微机械阀和数百个可独立寻址的微腔室。此后，微流控技术逐渐在生物医学领域显现出重要价值，从而推动了该技术研究热潮的兴起。随着相关学术论文数量的迅速增加，英国皇家化学会（RSC）于2001年创办了《Lab on a Chip》期刊，该刊迅速成为微流控芯片领域的主流出版物，并持续引领全球范围内的相关研究。2006年，《Nature》杂志推出了一期以“芯片实验室”（Lab on a Chip）为主题的专题文章，从多个视角综述了该类技术的研究历史、现状与应用前景，并在评论中指出：“芯片实验室有望成为本世纪的关键技术之一。”

一、什么是微流控技术？

微流控（microfluidics）是指在微纳米尺度空间中精确操控流体的科学技术。该技术能够将生物、化学等领域中涉及的样品制备、反应、分离与检测等基本操作集成至一块仅数平方厘米的芯片上，从而实现“芯片实验室”的功能。其核心特征与主要优势在于能够在整体可控的微型化平台上，将多种单元技术灵活组合与大规模集成。简单地说，微流控是一项系统的科学技术，通过几十至几百微米尺度的微通道，实现对微量流体（通常为纳升至皮升级）的处理与精确控制。

二、 微流控技术的主要特点

1.微型化与集成性

微流控技术在微米尺度通道中操控流体，将传统生物、化学实验室的样品制备、反应、分离、检测等基本功能集成到一块厘米级的芯片上，实现“芯片实验室”（Lab-on-a-Chip）的概念。系统体积小、集成度高，大幅节省实验空间。

2.样品与试剂消耗量低

该技术处理流体体积通常为微升（μL）甚至纳升（nL）、皮升（pL）级别，极大减少了昂贵生化试剂和珍贵样本（如血液、细胞）的消耗，显著降低了实验成本。

3.高通量与并行性

微流控芯片可以设计多通道、多反应腔阵列结构，允许同时进行大量独立或连续的实验，如高通量药物筛选、单细胞分析等，极大提升了实验效率和数据产出量。

4.精确的流体控制

通过对微通道中流体的流量、浓度、温度及反应时间等参数进行精确控制，可实现反应条件的局域化和高度可控，提高实验的重复性与准确性。

5.快速反应与高效传质传热

由于微尺度下表面积-体积比显著增大，传质和传热效率极大提升，从而加速反应进程、缩短检测时间，特别适用于快速诊断与实时监测等应用场景。

6.良好的兼容性与扩展性

微流控系统易于与多种外部检测技术（如光学检测、电化学检测、质谱等）联用，也可与宏量操作系统或自动化设备整合，适配不同应用场景的需求。

7.多学科交叉融合

微流控技术结合了流体力学、材料科学、生物技术、微电子机械系统（MEMS）及化学工程等多个工程与科学领域，展现出高度的学科交叉性和技术集成特性。

三、微流控芯片的分类

(1) 按芯片材料分类

1.无机材料芯片

a.硅 (Silicon)：最早使用的材料，加工工艺成熟，但成本高、不透光、电绝缘性差。

b.玻璃 (Glass)：化学惰性好、表面性质稳定、亲水、光学透光度高，适用于高频谱分析和苛刻的化学反应。但加工难度和成本相对较高。

2.有机聚合物芯片 (塑料芯片) 

a.热固性聚合物：聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 是最具代表性的材料。它透明、柔性、透气、易于光刻加工，非常适合实验室快速原型制作。但其缺点是对有机溶剂耐受性差，长时间使用可能发生溶胀，且表面疏水。

b.热塑性聚合物：如 PMMA (有机玻璃)、PC (聚碳酸酯)、PS (聚苯乙烯) 等。适合大规模注塑生产，成本低、机械强度高、生物兼容性好，但加工通孔和密封的工艺比PDMS复杂。

3.纸质芯片 (Paper-based)

利用纤维素纸的毛细作用驱动流体，无需外部泵阀。成本极低、便携、一次性使用，非常适合发展中国家的现场快速诊断(POCT)。但功能集成度较低。

(2)按流体驱动与控制技术分类

1.机械驱动式

微泵 (Micropumps) 和 微阀 (Microvalves)：通过外部或集成的微型机械结构（如隔膜、齿轮）的运动来产生压力，推动和控制流体。

2.非机械驱动式

a.电渗流 (Electroosmotic Flow, EOF)：通过在通道两端施加高压电场，驱动通道内液体整体移动。适用于芯片电泳分离，但对流体介电性质有要求。

b.电泳 (Electrophoresis)：利用电场力驱动带电粒子（如DNA、蛋白质）在介质中移动，用于分离。

c.介电电泳 (Dielectrophoresis, DEP)：对中性粒子在非均匀电场中产生力，用于细胞、微粒的操控与分离。

d.磁流体动力 (Magnetohydrodynamic, MHD)：利用磁场和电场共同作用驱动导电流体。

3.其他驱动方式

a.毛细力驱动：利用材料本身的亲水性或微结构的毛细作用驱动流体，无需外部动力，常见于纸质芯片。

b.离心力驱动 (Lab-on-a-CD)：将芯片制作成光盘样式，通过旋转产生的离心力驱动流体流向芯片外周，valve switching也通过转速控制。

c.声流体 (Acoustofluidics)：利用声波（如表面声波SAW）在流体中产生效应，用于混合、驱动和分离。

(3)按功能与结构架构分类

a.连续流芯片 (Continuous-flow)：流体在持续施加的力（如泵压、电渗流）驱动下，在固定的封闭通道网络中连续流动并进行反应、分离等操作。大多数生化分析芯片属于此类。

b.数字微流控 (Digital Microfluidics, DMF) / 液滴微流控 (Droplet-based)：液滴微流控是一种将连续流体分割成纳升或皮升级微小液滴的技术，每一个液滴都可视为一个独立的微型反应器。通常采用电润湿（EWOD）效应或两相流（如油包水）方式生成并精确操控这些液滴。该技术具有超高通量、液滴间无扩散污染、反应体积精准、易于实现并行处理等显著优势，目前已广泛应用于单细胞分析、PCR扩增、蛋白质结晶等高通量实验领域。

c.开放式芯片 (Open Microfluidics)：通道至少有一面是暴露的，而非完全封闭。例如，在基底表面刻蚀亲疏水图案来引导流体路径。适用于细胞培养等需要直接接触和操作的应用。

四、微流控芯片的应用

微流控芯片技术通过在其微米级通道中精确操控流体，将传统生物、化学实验室的样品制备、反应、分离与检测等多步骤集成到方寸之间的芯片上，实现了“芯片实验室”的愿景。该技术以其微型化、集成化、高通量和低消耗的显著优势，广泛应用于疾病快速诊断（如POCT检测、核酸分析）、药物高效筛选、单细胞研究、器官芯片模型以及环境监测等领域，深刻推动了生命科学、医学诊断和化学分析等领域的创新发展，并持续向着便携化、智能化和产业化方向迈进。

来源: 体外诊断生物材料大科普