微流控技术概述：发展历程与定义
探索微流控技术丰富多彩的发展历程，以及它如何在生物、医学到工业等领域掀起革新潮流，其应用涵盖从液滴产生到生命科学研究的方方面面。
微流控技术是指在数十至数百微米尺度的通道网络中，对体积介于微升（10⁻⁶ L）到皮升（10⁻¹² L）级别的流体进行精准操控的科学与技术。了解这些微型化系统如何为药物输送、诊断检测和“实验室芯片”（Lab-on-a-Chip）等领域带来突破性进展。
在本节概述中，我们将带您领略这一变革性领域，帮助您深入理解精确流体处理的原理及其在科学探索中释放的无限可能。
什么是微流控技术？
微流控技术横跨物理学、工程学和生物学数十载发展而来，既是一门研究流体在微通道中流动行为的科学，也是一种利用微型化芯片和装置处理极少量流体（10⁻⁶ L 至 10⁻¹² L）的技术。这些装置通常包含微米级通道和腔室，用以导流、分隔或加工液体。
自 1990 年代以来，微流控技术呈现高速发展态势，已成为生命科学研究及生物技术领域的重要工具。由于它能显著减少样品与试剂消耗、缩短实验周期并降低整体成本，因而备受学术界与产业界青睐。
微流控的工作原理
“微”主要指以下一项或多项特征：
- 体积微小：微升（µL）、纳升（nL）、皮升（pL）、飞升（fL）
- 尺寸微型：毫米（mm）、微米（µm）
微流控芯片（microfluidic chip）是此类研究的核心载体，通常通过光刻等微细加工技术在玻璃、硅或聚合物基底上刻蚀出互联通道，使流体可按预定路径从一处流向另一处。
- 主动微流控：借助微泵（压力驱动、蠕动或注射泵）和微阀（精确定量注射样品或缓冲液）等外部组件，实现连续或定量给液。
- 被动微流控：通过通道几何形状、毛细力或重力等物理效应，自然引导流体流动。
微流控系统的主要组成
一个功能完备的微流控平台通常包括：
- 微通道：在芯片上刻蚀的小而复杂的液路，用于引导流体。
- 储液池：液体的进、出口位置，作为试剂或样品的源头与汇集点。
- 微阀：用于按需开启或关闭通道，分为被动阀（依赖通道结构）和主动阀（电子控制）。
- 微泵：产生压力或流量，驱动液体穿过芯片；常见类型包括注射泵和蠕动泵。
- 传感器：光学或电化学传感器嵌入系统，实现流体性质的实时监测。
- 检测器：光探测器、微电极等，用于捕捉流体中化学或生物信号。
- 微流控芯片：由玻璃、硅或聚合物（如 PDMS）制成，集成上述所有功能元件。
- 控制软件：用于编程、监控和调度泵、阀等，实现自动化操作。
此外，许多系统还会配备微混合器、温度控制模块等，协同完成化学分析、合成反应或生物诊断等多种任务。
微流控的优势与核心原理
在微米尺度下，流体呈现一系列独特优势：
- 快速热交换
- 高表面积/体积比
- 层流显著，有利于受控扩散混合
- 可并行化操作，实现高通量实验
归纳来看，微流控技术能够：
- 大幅降低样品与试剂用量
- 显著缩短实验耗时
- 降低整体应用成本
其综合效益在提高实验效率的同时，也推动资源利用与成本优化。
“微型化实验室”概念
微流控的核心价值在于，将传统实验室所需的多步工艺，浓缩整合于仅数平方厘米的芯片之上。与传统规模放大相比，微流控通过设备并行化（multiplexing）大幅缩短从配方到产物的周期，使其不仅在分析检测领域具有优势，也正逐步应用于纳米医药、精细化工、食品与环境监测、制药等工艺生产中。
在微流控这一充满活力的领域，一场全新可能性的时代正在展开。
- 实验精度提升：微流控技术让研究者能够更精细地设计与执行实验，将检测灵敏度推向新的极限，揭示分子层面上曾被认为难以触及的微观细节。
- 高效并行：通过并行化操作，微流控可同时运行多组实验，大幅提高实验吞吐量与效率。
- 成本降低：在保证实验质量的前提下，微流控显著削减试剂和样品用量，为研究与生产带来成本优势。
- 时间缩短：时间是科研中最宝贵的资源之一，微流控能够显著压缩实验流程周期，加速发现与创新的步伐。
- 精准与实用并重：微流控正重塑科研与工业的格局，使“高效”成为进步的标志，其无限可能正在各个领域持续迸发。
精准控制与自动化
微流控系统结合流体驱动与检测模块，能够实现高度自动化的多步化学或生物反应，仅需最少的人工操作即可获得高质量数据。用户无需深厚专业背景，也能执行复杂流程，大幅提高实验普及率与可靠性。
微流控技术的起源与演进
上述历程既展示了微流控技术对流体精密操纵的不断突破，也反映了其在科研与产业中的广泛渗透。。
所有这些示例都属于微流控系统，因为它们一方面能够精确地控制不断缩小的流体体积，另一方面实现了流体处理系统的小型化。
该领域的一项重大突破是快速原型聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）软刻蚀工艺的发展，它为制造原型器件和测试新思路提供了高效便捷的方案。
微流控的发展与组件演进
微流控技术的起源可追溯至20世纪50年代，当时主要应用于喷墨打印机制造——其核心机制即基于微流控，通过极细管道输送墨水。
70年代，研究者在硅片上成功构建了一台微型气相色谱仪；到了80年代末，首批基于硅微加工的微阀和微泵相继问世，随后几年又涌现出多种硅基微流控分析系统。
1950s： 喷墨打印机的微流体系统——最早将微型管路用于墨水输送
1970s： 在硅片上构建首台微型气相色谱仪
1980s 末： 基于硅微加工的首批微阀与微泵问世
1990s： 软刻蚀工艺（Soft Lithography）与 PDMS 材料推广，使快速原型制造成为可能；“芯片实验室”概念兴起
2000s： 滴流微流控、细胞培养芯片、器官芯片等应用拓展
2006： Fluigent 推出首款微流控压力泵，实现脉动极小的快速响应流控
2010s–至今： 大规模生产与终端用户系统面世，市场化设备与应用不断涌现
上述历程既展示了微流控技术对流体精密操纵的不断突破，也反映了其在科研与产业中的广泛渗透。
所有这些示例都属于微流控系统，因为它们一方面能够精确地控制不断缩小的流体体积，另一方面实现了流体处理系统的小型化。
该领域的一项重大突破是快速原型聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）软刻蚀工艺的发展，它为制造原型器件和测试新思路提供了高效便捷的方案。
微流控的发展与组件演进
1990年代 : 着微加工技术的进步，微流控系统的应用边界被大幅拓展。研究人员开始设计“实验室芯片”（Lab-on-a-Chip）设备，涵盖化学分析到医学诊断等多种场景。这一时期诞生了首批集成传感器和阀门的微流控装置。
21世纪初 : 微流控技术迅速普及，广泛应用于基因组学、蛋白质组学、药物筛选和现场诊断（Point-of-Care）等领域。同时，“器官芯片”模型应运而生，通过在芯片上复制人体生理环境，提高体外测试的生理相关性。
当下与未来 : 微流控依然在不断突破，研究的重点集中在提升系统的精度、可扩展性，以及与其他学科（如电子学、材料学）的深度融合。多年来，研发者持续推出新型微流控组件，涵盖流体输送、定量计量、混合、阀控，以及在微量环境下对分子进行浓缩与分离的方案。
案例：Fluigent 的微流控压力泵
2006 年，Fluigent 推出首款微流控压力泵，开创了非注射泵驱动的新模式。相比传统注射泵，压力泵响应更快、无脉动流。最初，它们仅能对芯片内液体施加压力；随着流量传感器与专用反馈控制回路的加入，Fluigent 实现了对压力与流速的双重精准控制，为许多高端应用打开了大门。
近年来，越来越多基于微流控的产品由初创企业及大型制药、生物医药公司陆续推向市场，推动整个行业迈向成熟。
对比示例：为何选择微流控装置而非机器人？
由于微流控仅需极低的液体体积，它成为传统实验室方法的有力替代方案。几平方厘米大小的芯片上，就能完成从试剂输送、反应到检测的完整实验流程。 表 1 展示了在对典型酶进行超高通量筛选时，微流控技术相较于传统实验方法的主要优势。
| 机器人 | 微流体液滴 | |
|---|---|---|
| 总反应数 | 5 × 107 | 5 × 107 |
| 单个反应体积 | 100 µL | 6 pL |
| 总体积 | 5,000 L | 150 µL |
| 每日反应数 | 73,000 | 1 × 108 |
| 总耗时 | 2年 | 7小时 |
| 所需板/设备数量 | 260,000 | 2 |
| 板/设备成本 | $ 520,000 | $1.00 |
| 吸头成本 | $1,000 万 | $0.30 |
| 仪器摊销成本 | $ 280,000 | $1.70 |
| 底物成本 | $475 万 | $0.25 |
| 总成本 | $1,581 万 | $2.50 |
表格：使用传统方法与微流控乳液的比较。改编自Agresti J. J. 等人，《基于液滴的微流控超高通量筛选用于定向进化》，PNAS 2010, 107:4004-4009。版权2010年美国国家科学院[2]。
微流控：如同计算机的缩小之路
为了更直观地感受微流控的变革意义，不妨类比计算机的发展：
- 1960年代，一台计算机占据整整一个房间；
- 随着组件不断微型化，笔记本电脑应运而生；
- 而今，智能手机的性能早已超越早期任何一台“房间级”计算机，同时价格更低、使用更便捷。
微流控技术亦是如此——将实验室级的流体处理能力浓缩到掌上芯片，带来前所未有的效率与便捷。
微流控的应用一览
微流控凭借对超微量流体的精细操控，已突破“实验室芯片”和“器官芯片”的传统框架，广泛渗透至各行各业。
- 化妆品：精准配比与乳化工艺，助力新配方的高效开发与优化。
- 制药与药物筛选：加速药物发现过程，以更少的试剂和样品完成更多实验。
- 医疗健康：在个性化诊疗与快速诊断中发挥关键作用，开启小体积样本的创新检测方案。
- 化学合成：用于连续流合成与化学计量优化，提高反应效率与产率。
- 生物研究：在细胞培养和三维生物打印中重现生理微环境，支持更高仿真度的体外实验。
- 液滴技术：精准制备与操作微滴，用于单细胞分析、化学反应微反应器等多种场景。
- 能源科学：在提高石油采收率（EOR）模型和等离子体约束研究中，展示跨学科适应性。
- 工业生产：提供高效、精准且成本可控的微型化工艺平台。
工业化应用：微流控如何助力生产
- 高通量筛选：支持多通道并行实验，快速评估多种工艺或配方参数，节省时间与资源。
- 工艺微型化：缩小反应体系体积，降低试剂消耗，尤其适合稀缺或昂贵物料的处理。
- 现场快速诊断：研发便携式微流控检测仪器，实现生产线上实时质量监测，减少停机时间。
- 定制化制造：构建可调控的微环境，以满足专用产品开发中的特定工艺需求。程。这在需要特定条件才能实现最佳产品开发的应用中尤为有益。
- 自动化与集成：微流控组件易于与机器人或生产线集成，简化操作流程，降低人工介入，提高整体效率。
通过上述方式，微流控技术能够显著提升工业流程的智能化水平，降低成本，并大幅提升产能与质量。
微流控的发展才刚刚开始！
结论
微流控技术为我们带来了革命性的新能力。作为一项相对新兴的技术，要让临床医生、细胞生物学家和公共卫生官员等非流体物理领域的用户充分受益，仍有大量工作要做。
目前，微流控相关的应用和产品已在纳米医学等领域走向市场，实现了对 DNA、蛋白质、细菌乃至单细胞水平的更精准分析。随着高通量筛选和器官芯片技术的持续发展，药物研发将变得更快、更高效。结合实验室芯片（Lab-on-a-Chip）与微分析系统（µTAS）的自动化趋势，未来的诊断产品将更便宜、更快捷，为发展中国家带来福音。
相关内容
References
- Bahnemann, J.; Grünberge, A. Microfluidics in Biotechnology: Overview and Status Quo. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology book series, 2022, ABE,volume 179.
- Agresti, J. J.; Antipov, E.; Abate, A. R.; Ahn, K.; Rowat, A. C.; Baret, J.-C.; Marquez, M.; Klibanov, A. M.; Griffiths, A. D.; Weitz, D. A. Ultrahigh-Throughput Screening in Drop-Based Microfluidics for Directed Evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107 (9), 4004–4009.