陈昱

高性能计算所，新加坡科技研究局，新加坡 138632

1 简介

微流控是一种在微米尺度下对流体进行操控的科学技术，并且可以将生物、化学等多种实验室功能微缩到一个很小的芯片上，因此微流控芯片也被称为芯片实验室（Lab-on-a-chip, LOC）。微流控最大的优势和特征就是众多技术单元与流程可以通过微通道相连，在微小的平台上灵活组合和大规模集成，能够快速、自动、高通量、低成本地对生物、化学指标进行检测，从而实现一个完整实验室的复杂功能。由于尺寸微小，微流控芯片检测仅需处理极微量的流体，可以极大地节省昂贵生化检测试剂成本。

1.1 微流控技术的提出和发展简史

20世纪60年代，微电子行业广泛使用的光刻技术逐渐发展，被用于在硅片上创建各种微米或亚微米尺寸的机械结构，并最早应用于压力传感器的制造（1966年）。随后这套技术继续发展成为微机电系统（MEMS）技术，广泛用于开发各种流体处理设备，如通道、混合器、阀门、泵等，这才使得在微尺度上对气、液体样本的操控和检测成为可能。

一般认为，第一个芯片实验室（LOC）系统是由斯坦福大学的Terry[2]于1979年开发的气相色谱仪[3,4]。然而，直到20世纪80年代末至20世纪90年代初，微泵及流量传感器才被陆续开发出来。与此同时，基于将完整的实验室分析系统集成到芯片上的流体处理概念的出现，才使得LOC研究得以显著增长[3]，见图1。

20世纪90年代中期，电泳分离连同随后的DNA微阵列等基因组学应用在微流控芯片上的实现，使得同时对大量样本进行快速分析成为可能，展示了微流控芯片作为一种分析化学工具的强大潜力，大幅提升了科研人员对其在研究和商业领域的兴趣。美国军方特别是美国国防部高级研究计划局（DARPA）对便携式生化检测系统研究的大力支持，引燃了世界范围内对微流体芯片研究的热情。

1.2 微流控技术的重要意义和广阔应用前景

图1 微流控芯片示意图

微流控芯片技术的出现与发展有着深刻的内在必然性。首先，各种设备的微型化是近一个世纪以来的大趋势，既跟人类认知能力深入有关，也是日趋紧张的能源资源的自然要求。其次，很多设备与技术的发展应用和流体的控制紧密相关，而微纳尺度下流动的特征是一个全新的领域，很多方面至今尚未被人们彻底认识，急需更多的投入和研究。第三，微流控芯片技术与信息学紧密相关，特别随着人类基因组计划的开展以及基因疗法、个性化医疗的日益发展，人们对自身和整个世界所包含的信息的理解越来越深入，自然对分析和调控工具提出了更高的要求。第四，微流控芯片与系统化、集成化、模块化的发展理念不谋而合，符合大的时代发展趋势，为人类提供了既能够操控微小物体，同时又能把握全局和系统的强大工具。

如此强大、新颖的微流控系统，仍然处于飞速的发展之中，并正被应用于越来越广阔的领域。首先，从原则上讲，几乎任何分析化学的检测都能通过微流控芯片完成。其次，更重要的是，随着技术的发展和需求的增长，微流控芯片近几年的发展方向逐渐转变为构建不同类型的芯片实验室，比如与化学合成、生物、材料、光学、信息、能源等相结合，从而应用在不同的领域，如环境监测、医学诊断、细胞组学，以及快速药物合成与筛选器等。

2 微流体控制技术

微流控芯片由微通道网络将不同功能的模块相互连接而成，样品在空间上依次经过不同模块，从而实现时间上依次进行不同操作的目的。如此各模块之间样品的输运依赖于流体的流动，这使得微流体力学成为微流控芯片技术的基础。起初研究者认为在连续性方程框架下微流动和宏观尺度流动很类似，但随着研究不断深入，微尺度下流动的特殊性也逐渐显露出来。由于被广泛应用于多种生物样品的检测，微流控芯片中包含很多诸如非牛顿流体流动，粒子、细胞、液滴、气泡的运动等的特殊流动。另外，由于微流控芯片的高度集成性，微尺寸流动经常受多物理场——电场、磁场、声、光、热等作用的影响。故而微尺度下流体运动的规律和特征问题吸引了众多不同领域的研究者的兴趣和目光。接下来主要介绍微流控芯片中流体流动问题的分类和特征，同时简单引入流动驱动及控制等具体技术。

2.1 微纳流体的特点

首先考虑一个最基本的问题，当流动尺寸缩小到微米量级时，流体力学的基本假设（连续性假设和无滑移边界条件等）是否还成立。20世纪90年代初，Pfahler[5]进行管道中压力流动实验时，发现流动阻力系数与理论预测值不吻合，引起了人们对微尺度下连续性假设与方程适用性的怀疑与关注。直到2000年以后，根据大量实验结果的分析，学术界基本认同在微米尺度下连续性假设仍然成立，然其在纳米尺度下的适用性仍然存疑。同时，在宏观尺度下被广泛认可的边界无滑移假设在微尺度下也受到了挑战。这是由于此时流动特征尺度缩小到与分子滑移长度相当的程度，流体在固体表面的滑移不再可以忽略。而随着界面流动研究的逐渐深入，上述的边界滑移问题已得到了较好的理解和解决。另一方面，由于尺寸缩小，表面张力等面积力对微流体的作用比体积力（重力、浮力等）大得多，会逐渐显示出其主导作用。

样品在微流控芯片内不同功能的模块间输运依赖流体的流动，因此，如何实现微尺度下流动驱动、控制成为芯片设计的关键。这涉及流体的驱动、通断、样品混合、粒子捕捉、细胞聚焦、分离等等。一般地，控制微流控芯片内样品输运的流动可以大致分为两大类：连续简单介质流动、液滴生成与运动。接下来分别介绍他们的控制方法。

2.2 连续相流体控制

简单介质流动一般指连续、均质的液相流动，流体力学上可以作为单相流处理，如缓冲液、稀相蛋白分子流等，是微流控芯片中处理的最常见的样品形式，如何在微流控芯片中驱动、控制、混合、分离、检测这种状态的样品显得尤为重要。

2.2.1 流动的驱动

连续相介质一般可以通过微泵产生压差驱动、电渗流形式驱动等。

压差驱动是指利用压力抵抗流体在微通道内流动产生的粘性阻力从而驱动流体流动，可以通过注射泵、蠕动泵等产生所需的压力，另外也可以在微流体芯片上集成压差气动微泵。压差气动微泵室由多个启动微阀组成，PDMS薄膜在气压作用下产生形变，阀闭合，堵塞流体通道；相反气压撤去时，PDMS薄膜在弹性作用下恢复原状，阀门开启，流体流动通畅。顺序操控多个阀门的开启、闭合，就可以实现对微通道内流体的驱动。这一过程与宏观尺度下的蠕动泵类似，见图2。

图2 注射泵、蠕动泵、基于PDMS的气膜泵[6]

除了压差驱动，微流控芯片中还常常会使用电渗流来驱动流体。制备微流体芯片常用的硅、玻璃和高分子聚合物（PMMA，PDMS）等材料表面常常发生水解并极化，形成硅烷醇表面基团并选择性地吸附某种离子而带电，相应地表面附近的液体中形成反离子，构成带电表面和液体双电层。当电场施加在流体上时，带点流体被库仑力驱动而移动，这种流动即电渗流。除了驱动样品流动，电渗流是化学分离的重要技术，也是电泳分析的基础。

由于流体黏性的作用，压差驱动的微通道流动一般通道中心速度较高，靠近壁面速度较低，因此而出现的弥散现象（见图3）对于一致性要求很高的检测而言并不合适；另外，当微通道尺寸缩小，在同样驱动压力下流速会急剧降低。而如果利用电渗流，管道内速度分布均匀没有弥散，并且管道尺寸缩小流速不降低，因为其只与电压有关。所以，对于尺寸大的管道，使用压差驱动流体比较有优势，相反电渗流对小尺寸流动意义更为重大。

2.2.2 流动的控制

对于一般微通道而言，阀门是流体控制的核心部件。由于其重要性，微型阀的研制早在微流控芯片诞生以前就引起了人们的广泛关注。

图3 压差驱动的微通道流动弥散现象

对于电渗驱动的毛细管电泳等应用场景，在进样通道施加不同的电压，可控制样品的进样体积，当形成稳定的进样区带后，切换电渗电压，即可停止进样过程。随后在分离通道施加电压，样品便进入分离通道进行电泳分离。整个过程无须阀门的帮助，只需要通过电路切换控制电压，流动控制和切换非常简单。

然而对于压力驱动的微流芯片需要使用实体阀门，其结构较为复杂，需控制通道的开合，并要求泄露低、功耗小、响应快、线性强。如双晶片单向阀（图4）由两个晶片相接而成，在入口处有一弹性悬臂梁，当流体正向流动时，顶开悬臂梁，正常流动；当流体反向流动时，悬臂梁受反向压力与晶片闭合，使通道闭合。另外，丙烯酰胺聚合体在高低电压下具有不同性质，可以用来实现阀门开合的切换，低电压下，空穴密集，阀门关闭；高电压下，空穴张开，阀门打开。另外还可通过空气压力控制软性PDMS薄膜来控制通道的开合，实现阀门的功能（图5）。

图4 单向阀门[7]

图5 气动阀门[8]

2.2.3 样品介质的混合

有一些需要快速发生的反应，要求快速混合不同样品，使得反应的不同组分充分接触。混合有两个机制：①溶度梯度驱动的扩散，②组分团随流动产生的对流。然而微流体芯片尺度小雷诺数小，呈层流状态，对流强度小，混合主要依靠扩撒。所以要增强混合，需要增加溶质之间的接触面积，可以通过拉伸流体或剪切；和利用管路几何交叉设计，将不同样品分裂成许多微团再组合。

混合器按照是否需要外力一般分为两种，被动式与主动式。被动式混合器通过在微通道加入扰流器，从而在流动中引入波动，与主流垂直的二次流，可以将样品切割成更小的单元从而增强混合。与被动式不同，主动式混合器利用磁力、声场力、电场力等外力来增强混合。如使用外部旋转驱动微搅拌棒进行液体混合；通过在溶液中引入气泡，声场诱导停留在固体表面的气泡产生震动，从而形成球形对流，加速混合；还可利用可变直流电场，产生变化电渗流混合样品（图6）。

图6 各种不同增强混合技术

图7 基于不同技术的检测方法

2.2.4 分离、分析、检测

经过进样、反应等过程，最终样品需要经过分离、分析与检测，得到人们能够理解的结果，提供有效地诊断依据（图7）。

在微流芯片发展早期，电泳分离技术发展最快、成熟度最高，占有特殊的地位。介质中带电粒子在电场作用下会形成定向迁移和泳动，被称为电泳。由于各种物质分子的电荷数量与质量不同，导致其迁移速度不同，最终形成不同的谱带，达到分离与甄别样品的目的。

近年来，一些新的技术被应用于微流控芯片的检测领域，如光学检测、电化学检测、质谱检测等。激光诱导荧光时使用最广泛的光学检测方法，对具有荧光官能团或者可以衍生产生荧光的核酸、蛋白质、氨基酸等生化样品进行检测、分析，其检测极限可以达到10-13-10-9mol/L。另外，利用光子技术、双光子激发等技术甚至可以达到单分子检测精度。电化学方法利用待检测物质导通电流、电导率、阻抗谱以及半透膜两端的电位差来进行检测。质谱检测是使样品中各组分在离子源中发生电力，生成不同荷质比的带正电荷粒子，经加速电场作用，形成粒子束，进入质量分析器，利用电场和磁场使得离子发生相反的色散，从而将他们鉴别出来的方法。另外，利用声表面波（SAW）、薄膜体声波（FBAR）、红外线（IR）等传感器对其表面附着物变化的敏感性，可以探测样品与传感器表面抗体探针的特异性反应。另外，超材料和声表面波等技术可以直接对样品的一些物理性质（如黏性、介电常数等）进行测量，从而判断出样品的变化。

2.3 液滴控制

为了更精确地控制样品体积与数量，进一步降低能耗，提高自动化程度与通量，近来，微流控领域发展了将液体分割成液滴进行更小体积操控的技术。与连续相不同，为了得到离散相的液滴，通常会使用不同性质两种液体相互隔绝，一种作为连续相，一种作为分散相，分散相以微小体积单元形式分布在连续相中，形成液滴在芯片中运动。

与连续相戒指类似，基于液滴的微流控芯片技术，核心在于液滴的生成、样品的加入与混合以及检测。

2.3.1 液滴生成

“T”形结构通道和“流动聚焦”被广泛用来在微流控芯片中生成液滴。在“T”形结构通道中，油相和水溶液分别从水平和数值通道中流出，由于两者不相容，在交叉处相遇后形成水/油界面，水溶液在推动力的挤压和油相的剪切作用下，被拉伸最后表面张力不足以抵抗剪切力，断裂成为液滴。另外还可利用油相从水溶液两侧的通道流出，对水溶液产生夹流“聚焦”作用，水溶液受到来自两侧堆成剪切力，液滴形成过程比“T”形结构更稳定，大小可控范围更广。一般可以通过调节水相、油相的流速来调整液滴的大小，还可以用多种组分溶液形成一个液滴，甚至可以液滴生成结构嵌套成多核或者多层液滴，见图8。

图8 液滴生成的不同方法

2.3.2 混合、操控

使用液滴作为微反应器，可以直接将样品和试剂包入液滴，以液滴生成时的状态作为反应的初始条件；如果反应复杂，可以在液滴生成单元的下游增加侧向通道，当液滴经过时，将溶液注入液滴，并开始下一步反应。再经过微通道时，由于通道内壁的摩擦作用，液滴内部会产生两个堆成的漩涡流，一定程度上加速内部溶液的混合。还可以将直通道改成“S”形，液滴内部的一对漩涡会变为大小不一，并别经过“S”形弯折时，两个漩涡会交换大小，大大增强对流速度，加快混合，见图9。

有时对于复杂的多步反应，需要对液滴进行可控融合，首先在芯片不同位置生成饱含不容溶液的液滴，并调整速度使其一致，并通过微通道尺寸、结构等控制它们在特定位置相遇。有时，可以通过它们表面张力自动融合，还有可能需要电和光热来促进融合的过程。

除了在通道中运动，液滴还可以受控在平面上运动，进行反应和检测。通过液滴表面的电浸润现象，通过向电极施加电压改变节点之层的固液表面张力，实现液滴的产生，并控制离散（单个）液滴输运和分裂，被称为数字液滴（digital droplet,dd）微流控芯片技术。

3 应用举例

3.1 聚合酶链反应（PCR）

聚合酶链反应（PCR）是在体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术，经典PCR循环由Mullins发明。利用引物延伸核酸的某个区域而实现重复双向DNA合成，其灵敏度和特异性都很高，而且操作简便、快捷，系统简单。后来又有开发环介导的等温PCR技术（LAMP）和通过高温变性、低温退火、酶催化三步的循环PCR扩增。相比于常规宏观尺度PCR，在微流控芯片上实现PCR有如下几个优势：①有效减少热循环系统体积，热容低，升/降温速度提高，反应时间缩短；②反应体系体积减小，温度均匀性提高；③样品变少，试剂消耗降低；④各模块变小，有利于集成化。

循环PCR扩增的成功关键在于快速而准确地控制循环温度，利用微流控芯片集成度高的优势，可以将PCR反应器、微加热器、温度传感器、电泳微通道、激光荧光诱导检测全部集成到微小的芯片上。除了前述方法在储液池直接反复加热/冷却反应液，另外还可以在芯片上构建具有稳定的PCR温度不同区域，让反应液通过蛇形迂回的微通道，让其依次经历高温变形、低温退火、酶催化三步，省去复杂的控制程序和烦琐的微传感器加工步骤。除了传统的基于连续介质的PCR扩增，还有将样品分散成液滴，把每个液滴作为独立的微反应器的液滴数字PCR。首先将微量样品大倍数稀释，再将其依次送入液滴，使得每个液滴中的待测DNA不超过1个，再将所有液滴置于相同条件下进行PCR扩增，之后利用如激光荧光反应等发发进行检测。根据泊松分布原理和检测出的阳性反应液滴数目，可以推算出原始样品中特定DNA片段的浓度，实现绝对定量甚至单分子检测的目标。

3.2 细胞仿生实验室

微流控芯片仿生实验以细胞实验为基础，通过微流芯片中三维细胞培养和共培养来模拟生物体内体系的环境，从而更真实反应和研究活体内复杂的生化反应。目前微流控芯片的潜力在细胞研究中已得到充分的发挥，微米量级且相对封闭的细胞培养、分选、裂解等微流控芯片细胞实验室操作单元均已构建。在微流控芯片内合成仿生材料上培养细胞，再通过不同尺寸和形状的管道网格将不同细胞团连接形成组织、器官，可以观察体液在细胞、组织以致气管内或者它们之间流动，这种器官芯片系统包含细胞、组织、血液、埋管、组织、组织界面等器官内微环境的全部要素，更接近真实的生物体系。生物系统是一个整体，包含很多局部，局部之间通过很多生物化学网格相互影响并对环境做出响应，在微流控空芯片上构建器官模拟一个活体的行为，可以更方便、准确、可控地从系统生物学角度研究活体中整体和局部的种种关系。从本质上讲，微流控芯片仿生实验室提供了一种在相对简单的生物体外对极其复杂的生物内体系开展模拟研究的途径。虽然芯片仿生实验室可能并不能完全反映真实情况，但是在人体研究遇到困难，动物研究又与人体差异过大的难以接受的情况下，例如药物毒性这样的复杂问题，或许可以从人体器官系统角度提供更深入的探讨和理解，见图10。

4 结语

几年来，随着微流控芯片这一科技领域的一系列重大突破，以及人们对其认识的不断深入，其在特殊应用场景的特性逐渐脱颖而出，吸引了疾病诊断、药物筛选、材料合成、环境检测、食品安全等方向的广泛关注，并且在不断进行产业化转型。总体而言，微流控芯片技术应用广泛，在提供快速、低廉、便携的解决方案方面有很大潜力，对人类未来的生活方式和生存质量产生深远影响，在未来20年内将引起广泛和激烈的产业化、商业化竞争。

但同时，微流控芯片技术仍然面临许多挑战。首先是市场的接受度还处于起步阶段，起步较早的芯片诊断技术，现在仍处于与现有成熟技术的竞争阶段，而液滴技术、哺乳动物细胞和仿生技术，正在被人们逐渐接受。同时，尽管微流控芯片具有多单元在微小平台灵活组合与集成的优势，但如何在确保稳定、可靠结果的前提尽量控制制造成本，对实际产业化道路提出很高的要求。另外，虽然微尺度下的流动特征已经被人们研究了较长时间，很多问题也得到了解决，但仍然存在许多未解决的问题，例如气液界面运动、气相溶解与渗透；另外随着生化检测要求的提高，微流控芯片尺寸越来越小（纳米尺度），而在如此小的尺度的管道内，溶液与样品溶质分子以数十数百的量级通过各种单元模块，经典流体力学中的连续性假设不再适用，预测流体在纳米尺度下的运动成为重点研究目标。