微流控（Microfluidics）和微流控芯片（Microfluidic Chip）

微流控（Microfluidics）技术是一种在微米尺度的通道或腔室中操控微小体积液体的技术。作为参考，covid-19冠状病毒约为0.1 μm，细菌平均约为1 μm，红细胞略小于10 μm，头发可能粗达100 μm。

微流控设备代表了一个彻底改变科学世界的技术领域^[1]。它起源于1970年代和1980年代小型化分析系统的发展。1990年代微机电系统（MEMS）的发明使具有复杂几何形状和集成组件的微流控器件得以开发。

微流控芯片（Microfluidic Chip）是用于微流控研究的装置，其中的微通道通常使用光刻或软光刻等微纳加工技术蚀刻或模制到基板中。形成微流控芯片的微通道通过进口和出口与外部环境连接，通过被动方式或外部有源系统（压力控制器、注射泵或蠕动泵）从微流控芯片中注入、管理、移除液体或气体。

通道可具有不同的内径，并且它们的微通道网络必须专门为想要执行的应用或分析而设计。

因此，微流控芯片允许将生物、化学和医学分析过程中的样品制备、反应、分离和检测等基本操作单元集成到一个微米级芯片上，完成整个分析过程。

微流控系统的主要组成部分

微流控芯片的材质：芯片是微流控系统最重要的组成，用于制造微流控芯片的材料决定了芯片的加工方式。

硅和玻璃是最早用于微流控应用的原始材料，然而随着时间的推移和新技术的进步，包括聚合物、复合材料或纸也开始进入使用。

这些材料的选择是基于其生物相容性、光学透明度、耐化学性和机械性能，每种材料都适合特定的应用。

对某些实验而言，需要将这3种材料组合以获得所需的微流控芯片特性。每种材料都有其特定的化学和物理特性，材料的选择取决于：

* 应用需求

* 溶剂类型、样本、缓冲液及其极性

* 微通道设计

* 预算

芯片材质-硅

第一种应用于微流控芯片的材料是硅^[2]，硅首先被选中是因为：

* 它对有机溶剂的耐受性

* 优越的导热性

* 表面稳定性

然而，硅基微流控芯片由于其硬度高而不易处理，因此难以生成如微阀或微泵等有源微流控部件。另一个缺点是当进行光学检测时，硅展现出明显的不透光性。它很快被玻璃和聚合物取代。此外，由于相比其他材料更高的价格，硅基微流控芯片并未广泛应用于微流控研究领域。

芯片材质-玻璃

在最初将焦点放在硅材料之后，玻璃成为构建微流控芯片的材料选择^[3]。玻璃是一种非晶材料，光学透明且电绝缘性能好。玻璃与硅都具有上述提到的在微流控实验中的优点。但是，玻璃也有其独特的优势：

* 明确的表面化学性质

* 卓越的透光性

* 优越的耐高压性

* 生物相容性

* 化学惰性

* 允许高效涂层

* 玻璃与大多数生物样品相兼容

上述优点使其成为许多应用的首选材料。这种材料的主要障碍是其硬度和相对较高的加工成本。

芯片材质-聚合物

聚合物基微流控芯片的引入比硅/玻璃微流控芯片晚几年。在选择具有特定性质的合适材料方面，各种各样的聚合物提供了较大的灵活性。因为它们易于获取、更便宜、更坚固并且需要更快的制造工艺^[4]。常见的用于构建微流控芯片的聚合物材料有：

* 聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）

PDMS是快速制造微流控装置原型的首选材料。PDMS芯片通常用于实验室，尤其是学术界，因其低成本且易于制造。PDMS微流控芯片的主要优点包括：

* 氧气和气体渗透性，在细胞研究和长期实验中，有利于氧气和二氧化碳的输送

* 透光性

* 弹性

* 无毒性

* 生物适应性

* 可以通过多层堆叠创建复杂的微流控设计

* 成本相对较低

PDMS芯片的主要缺点之一是其疏水性。因此，将水溶液引入微通道存在困难，并且疏水分析物会被吸附在PDMS芯片表面，从而干扰分析。现在有PDMS表面改性用于避免由疏水性引起的问题。PDMS芯片的另一个主要问题是它们不适用于高压操作，因为高压会改变通道几何形状并容易发生泄露。

* 环烯烃共聚物（Cyclic Olefin Copolymer, COC）

环烯烃共聚物（COC），是一种由环烯烃单体和线性烯烃组成的热塑性材料。COC具有许多有利的特性，包括低吸水率、优异的电绝缘性、长期的表面处理稳定性以及对各种酸和溶剂的耐受性。它是用于生物、膜和半导体领域等各种应用的理想材料。COC 以其刚度、光学清晰度和热变形温度而著称，根据 COC 等级，其变化在 70°C 和 170°C 之间。COC 中的微通道可以使用多种工艺制造，包括微铣削、注塑成型和热压花。

* 聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate, PMMA）

PMMA是一种廉价的热塑性聚合物，具有优异的光学性能，例如高透明度和折射率。因为它易于操作，所以它是制造微流控装置的合适材料。PMMA还具有生物相容性，可以通过各种灭菌方法轻松灭菌，例如高压灭菌和化学灭菌，使其可用于生物技术和生物医学应用。然而，PMMA有一些局限性，包括疏水性高和机械强度低。

微流体芯片的架构：

微流体芯片的架构范围可以从简单的单层设计到复杂的多层系统。它通常包括微通道、腔室和孔等功能，所有这些功能都设计用于处理微尺度的流体。

微流体的流量控制：

微流体流量控制是任何微流体设备开发和运行中非常重要的组成部分。它允许精确操作和输送少量液体，从而在药物研究、芯片实验室系统、即时诊断等方面实现广泛的应用。控制微流体流量的广泛使用的方法有蠕动泵、压力控制器和注射泵。

与其它微流控单元的集成：

微流控设备通常需要光学检测或分析，与显微镜、光谱仪或其他光学系统集成可以实时监测或分析设备内的流体；一些微流体应用需要精确的温度控制，与加热或冷却系统集成可以确保设备内的流体保持在所需的温度。

将微流体产品与自动化系统（例如机械臂或可编程控制器）集成，可以实现高通量和可重复的实验；与数据采集系统（例如传感器或数据记录器）集成可以帮助捕获和分析微流体装置生成的数据；总体而言，微流体产品的成功集成通常需要采用多学科方法，涉及流体动力学、光学、电子、软件开发以及生物学或化学方面的专业知识，具体取决于具体应用。

微流控技术在化学、生物学、物理学、工程学和医学等多个领域都有应用^[5]。根据应用的性质，微流控的应用领域大致分为以下几类。

用于分析：此类别包括使用微流控进行化学和生化分析的应用，例如分析物的分离、混合、检测和定量。分析微流控设备的示例包括使用微流控流通池进行基因组分析和蛋白质组学分析以及细胞分析和分选。

用于诊断：此类别包括使用微流体从小样本中检索诊断答案的应用。诊断微流控示例：即时诊断、环境监测、食品安全测试。

用于生物医学：此类别包括使用微流控技术进行生物医学研究和临床应用的应用，例如细胞培养、药物递送和器官芯片。

用于化学合成：此类别包括使用微流体技术合成和制备一些功能材料（如纳米颗粒、乳液和微球）的应用。合成微流控装置的例子包括微流控生物反应器和微流控液滴发生器。

参考文献

1. Whitesides, George M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 2006. 442 (7101): 368–373.
2. da Ponte, R. M., Gaio, N., et al. Monolithic integration of a smart temperature sensor on a modular silicon-based organ-on-a-chip device. Sensors Actuators A Phys. 2021. 317, 112439.
3. Orazi, L., Siciliani, V., et al. Ultrafast laser micromanufacturing of microfluidic devices. Procedia CIRP. 2022. 110, 122–127.
4. Rodríguez CF, Andrade-Pérez V, et al. Breaking the clean room barrier: exploring low-cost alternatives for microfluidic devices. Front. Bioeng. Biotechnol. 2023. 11:1176557.
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Microfluidics