微流控解析

微流控(Microfluidics)指的是使用微管道 (尺寸為數十到數百微米)處理或操縱微小流體的系統所涉及的科學和技術，是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫學工程的新興交叉學科。它可以將生物、化學、醫學等領域分析樣品的過程，包括制備、反應、分離、檢測等基本單元集成到一塊微米尺度的芯片上，并且自動完成分析全過程。因為具有微型化、集成化等特征，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室(Lab on a Chip)和微全分析系統(micro-Total Analytical System)。

一、微流控發展歷史

微流控是伴隨著微機電加工系統（MEMS）技術的發展而來的。MEMS技術是指用半導體技術，將現實生活中的機械系統微型化，形成微型電子機械系統。微流控正是基于MEMS技術特點，將一個大型實驗室系統縮微在一個玻璃或塑料基板上，從而復制復雜的生物學和化學反應全過程，快速自動地完成實驗。其特征是在微米級尺度構造出容納流體的通道、反應室和其它功能部件，操控微米體積的流體在微小空間中的運動過程，從而構建完整的化學或生物實驗室。

20世紀90年代，Manz和Widmer等人采用芯片實現了此前在毛細管內完成的電泳分離，并于1990年首次提出微型全分析系統(Miniaturized Total AnalysisSystem，μTAS)的概念，此后微泵及流量傳感器才被陸續開發出來，基于將完整的實驗室分析系統集成到芯片上的流體處理概念的出現催生了世界范圍內微流控芯片的研究。

圖1 微流控技術發展歷史

二、微流控芯片的優勢及應用場景

（一）技術優勢

基于MEMS發展而來的微流控芯片技術，被譽為改變未來的七種技術之一，相比于傳統方法其技術有如下優勢：

1.1 微型化

微流控技術能夠把樣本檢測整個過程集中在幾厘米的芯片上，通過液體流道的設計、微型閥門的安置、液體腔體的設計等模塊的集成，綜合完成檢測的操作過程，最終使整個檢測實現微型化。

1.2 高通量化

微流控芯片通過設計可以呈現多流道的形式，通過微流道網絡可以將待檢測樣本分流到多個反應單位，由于反應單元之間相互隔離、互不干擾，因此可以根據需要對單個樣本同時進行多項檢測。與常規檢測相比，顯著縮短了檢測的時間，提高了檢測效率，實現檢測的高通量化。

1.3 樣本需求小

在微流控芯片上檢測所需要被檢測的樣本量體積往往只需要微升甚至納升級別。同時由于其高通量的特點，對一次采集的樣本就可以實現多項測試，因此對于不易獲取的樣本檢測更加具有優勢。

1.4 試劑消耗量少

由于微流控芯片的微型化特點，其內部的反應單元腔體同樣非常小，使得整個反應體系總體積非常微小，與傳統檢測體系相比，大大降低了試劑的消耗量。

（二）應用場景

微流控芯片存在上述明顯的優勢，使得其在不同領域都有非常廣闊的應用前景。如與微流控芯片結合最為緊密的體外診斷領域，其在生化分析、免疫診斷、分子診斷等IVD細分領域都能夠發揮出自身的特點，替代傳統IVD檢測方法的潛力巨大。此外在細胞分離方面的優勢可以大大提高循環腫瘤細胞的檢出率和純度，從而為相關癌癥的治療提供關鍵支持。在藥物篩選領域，比如干細胞芯片，可克服現有的干細胞進行體外研究的局限性，通過實時精確控制干細胞微環境中的各種因素，盡可能地模擬干細胞生長分化的復雜環境等等。

圖2 微流控芯片應用場景

三、微流控技術介紹

（一）微流控芯片的材料：硅片、玻璃、PDMS、紙等。

表1 微流控芯片制造材料

圖3 不同材質的微流控芯片

（二）微流控芯片制造技術：眾多，大致分為以下幾種：

表2 微流控芯片制造技術

（三）微流控芯片的流體控制

微流控分為被動式微流控和主動式微流控。被動式微流控，不借助外力，通過液體自身的毛細作用等完成各項反應。主動式微流控，則是通過儀器內部精密控制芯片內反應腔結合閥門裝置，精確控制液體的流動形式，定量控制反應樣本體積，使樣本定量參與反應，達到精確控制。

表3 微流控芯片流體控制方法分類

四、微流控市場容量及前景

根據Yole分析師最新數據統計顯示，2018年全球微流控產品市場規模達到87億美元，2019至2024年期間的復合年增長率高達11.7%，預計2024年將達到174億美元。兩項主要應用為：（1）即時檢測（POCT）；（2）制藥/生命科學研究（包括測序、基因組學和蛋白質組學）。此外其它微流控應用也在不斷發展。

圖4 全球微流控市場規模及增長率

五、國內外主要廠家及產品介紹

（一）國外主要廠家

表4 國外部分微流控產品公司介紹

（二）國內主要廠家

中國近年來微流控產業發展迅速，相關ZL數大幅增長，但是真正產業化的企業還是屈指可數。

圖5  國內主要微流控產品制造商

表5 國內部分廠家及其產品介紹

六、總結

微流控芯片未來一定會被深度產業化。這是源于目前市場需求的不可逆轉、進程加快以及在某些重大領域下該技術的不可替代性。以生物醫藥為代表的新型經濟很有可能通過它來實現對當前產業的轉型升級，進而對整個經濟產生深遠的影響。