什(shen)么是(shi)微流體？它的未(wei)來是(shi)什(shen)么？

微(wei)(wei)流體技術是指在(zai)微(wei)(wei)觀尺寸(cun)下控制、操作和檢測復雜流體的技術，是在(zai)微(wei)(wei)電子、微(wei)(wei)機械、生物工程和納米技術基礎上發展起(qi)來(lai)的一門全新交叉學科。

在生物(wu)、化學、材料(liao)等科(ke)學實驗中，經常需要對(dui)流體(ti)進行操作，如(ru)樣品DNA的制(zhi)備、液相色譜、PCR反(fan)應、電(dian)泳檢測等(deng)操作都是(shi)在液相環境中進行。如果(guo)要(yao)將樣品制備(bei)、生化反(fan)應、結果(guo)檢測等(deng)步驟集成到(dao)生物芯片上(shang)，則實驗所用流(liu)(liu)體的(de)(de)量(liang)就(jiu)從毫(hao)升(sheng)、微(wei)升(sheng)級(ji)降(jiang)至納升(sheng)或皮升(sheng)級(ji)，這時功能(neng)強(qiang)大的(de)(de)微(wei)流(liu)(liu)體裝置就(jiu)顯得非常重要(yao)了。因此隨著(zhu)生物芯片技(ji)術的(de)(de)發展，微(wei)流(liu)(liu)體技(ji)術作為(wei)生物芯片的(de)(de)一項關鍵支撐(cheng)技(ji)術也得到(dao)了人們(men)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)多的(de)(de)關注。

與微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)子(zi)技術(shu)不同，微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)技術(shu)不強(qiang)調減(jian)小(xiao)器件(jian)的(de)(de)尺寸(cun)，它(ta)著(zhu)重于構建(jian)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)通(tong)道(dao)系(xi)統來實現各種(zhong)復(fu)雜的(de)(de)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)操縱(zong)功能。與宏觀(guan)(guan)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)系(xi)統類似，微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)系(xi)統所(suo)需的(de)(de)器件(jian)也(ye)包括泵(beng)、閥(fa)、混合器、過濾器、分離器等(deng)(deng)。盡管與微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)電(dian)(dian)子(zi)器件(jian)相比，微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)通(tong)道(dao)的(de)(de)尺寸(cun)顯得相當大，但實際上這個尺寸(cun)對于流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)而言(yan)已經是非常(chang)小(xiao)。微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)通(tong)道(dao)中(zhong)(zhong)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)流(liu)(liu)(liu)動行(xing)為(wei)與人們在日常(chang)生活(huo)中(zhong)(zhong)所(suo)見的(de)(de)宏觀(guan)(guan)流(liu)(liu)(liu)體(ti)(ti)流(liu)(liu)(liu)動行(xing)為(wei)有著(zhu)本(ben)質的(de)(de)差別，因此微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)泵(beng)、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)閥(fa)、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)混合器、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)過濾器、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)分離器等(deng)(deng)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)型器件(jian)往(wang)往(wang)都與相應的(de)(de)宏觀(guan)(guan)器件(jian)差別甚大。

為了精準設計微(wei)流體(ti)系統中(zhong)所需的(de)器件，首先要確定微(wei)通道(dao)中(zhong)流體(ti)的(de)流動(dong)性質。人們利用共(gong)焦顯微(wei)鏡成像(xiang)技術可以方便地對微(wei)通道(dao)中(zhong)的(de)流動(dong)過程進行量化(hua)，達到了以往無法實現的(de)高分辨(bian)率。世界上(shang)first微(wei)流體(ti)器件由英(ying)國帝國理工大(da)學（Imperial College）的曼齊（A． Manz）、美國(guo)橡樹嶺國(guo)家實驗室的拉姆齊（M． Ramsey）等(deng)科學家(jia)在1990年代初(chu)研(yan)制成(cheng)功。該器(qi)件是利(li)用常(chang)規的(de)平面(mian)加工(gong)工(gong)藝（光刻、腐(fu)蝕(shi)等）在硅(gui)、玻(bo)璃上制作的(de)。盡管這種制作方法非常(chang)精密，但成(cheng)本高(gao)，且不(bu)靈活，無法適應研(yan)發(fa)需求。懷(huai)特賽茲（G． M． Whitesides）等人又提出一種“軟光刻"微(wei)加工方(fang)法(fa)，即(ji)在有機材料上(shang)印(yin)制、成(cheng)型出微(wei)結(jie)構(gou)，從而能方(fang)便地加工原型器(qi)件和專(zhuan)用(yong)器(qi)件。另外(wai)這個方(fang)法(fa)還能構(gou)建出三維微(wei)通道結(jie)構(gou)，并能在更高層(ceng)次上(shang)控制微(wei)流(liu)體通道表面的(de)分子結(jie)構(gou)。

噴射是(shi)成(cheng)熟(shu)的(de)微流體技(ji)術，它使用直徑小于100微米(mi)的(de)孔(kong)來產生微滴。這項(xiang)技術可用于(yu)輸運微反應(ying)中的(de)微量試劑(ji)，以及將(jiang)微量DNA樣品分(fen)發到載體表面形成微陣(zhen)列(lie)。

微流體(ti)是什(shen)么？

微流體系統是任何處(chu)理微量(liang)液(ye)體的(de)設備。這些液(ye)體通過的(de)通道比(bi)頭發(fa)還要(yao)細(xi)，微小(xiao)的(de)閥(fa)門可(ke)以(yi)開(kai)啟(qi)和(he)關閉流量(liang)。這些通道通常由玻璃、聚合物、紙或凝(ning)膠等材(cai)料(liao)制成(cheng)。

要(yao)想使(shi)流(liu)體移動(dong)，一(yi)(yi)種(zhong)方法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)機(ji)械泵；另(ling)一(yi)(yi)種(zhong)方法(fa)是(shi)利用(yong)某些材料(liao)的表面電荷；當然還有一(yi)(yi)種(zhong)方法(fa)使(shi)用(yong)的是(shi)所謂毛細管作用(yong) —— 更常見的(de)是(shi)芯吸作用(yong)。芯吸是(shi)儲存在(zai)液體中的(de)能量推動液體通(tong)過(guo)狹窄空間的(de)過(guo)程(cheng)。

在(zai)微小的尺(chi)度內，流(liu)體的運動(dong)方式并不直觀。 并不像我(wo)們常見的從花園水管或淋浴噴頭出來(lai)的湍流(liu)、混亂的水流(liu)。 相(xiang)反，在(zai)狹窄的微通道容積中，流(liu)量異常穩定。

流體會以(yi)有組織(zhi)的平行(xing)流沿(yan)通(tong)道(dao)向下移動 —— 稱(cheng)為層流。層流是微流體系統中(zhong)的(de)一大奇觀(guan)。層流中(zhong)的(de)流體和顆粒會遵循數學(xue)上可(ke)預測的(de)路徑(jing)流動，這是精密工程和醫療設備設計的(de)條件。

這(zhe)些對研究人(ren)員(yuan)具有啟發意義(yi)的(de)(de)過程，在自然界中存在了千百(bai)萬年。植(zhi)物(wu)利用(yong)毛細作用(yong)將(jiang)營養(yang)物(wu)質從根部輸(shu)送(song)到高的(de)(de)樹枝上，這(zhe)就是自動(dong)供電(dian)的(de)(de)微(wei)流體電(dian)路的(de)(de)靈感來源。

化學家(jia)們(men)模仿雨滴的物理(li)特性，設(she)計了一種設(she)備，將樣(yang)本(ben)分解(jie)成數百(bai)萬個液滴，并(bing)以令(ling)人眼(yan)花繚(liao)亂的速度對其進行分析(xi)。每個液滴本(ben)質上都是一個微型(xing)的化學實驗(yan)室(shi)，化學家(jia)們(men)可以研究生物分子的進化，并(bing)進行超(chao)快的遺傳分析(xi)等等。

就(jiu)(jiu)連人(ren)體的(de)(de)每(mei)個(ge)角落都是(shi)微(wei)流體的(de)(de)。如果沒有復(fu)雜的(de)(de)毛(mao)細(xi)/血管為每(mei)個(ge)細(xi)胞輸送(song)食物、氧氣和信號分(fen)子(zi)，我們就(jiu)(jiu)不可能出生或正常(chang)生活。

微型科(ke)技的(de)好處(chu)

就像微電子學一樣，尺(chi)寸是微流體的關鍵。

隨著元(yuan)件變得越來越小，設備可(ke)以在(zai)很小的尺度上依賴于液(ye)體的奇怪特性(xing)，可(ke)以更(geng)快、更(geng)有效(xiao)地(di)操作，而且(qie)制造成本更(geng)低。現在(zai)，微(wei)流體已經悄悄地(di)搭上了電(dian)子(zi)產品的順風車(che)。

微流體裝置(zhi)的另(ling)一(yi)個主要優點(dian)是(shi)，它們(men)只需要非(fei)常少量的液(ye)體，因(yin)此(ci)尺(chi)寸(cun)可以(yi)很小。

技術、生物和醫(yi)學(xue)中的微流體(ti)學(xue)

實際(ji)上(shang)，你在(zai)生活(huo)中會經常使(shi)用(yong)微(wei)流(liu)體(ti)。噴(pen)墨(mo)打印機能(neng)噴(pen)出微(wei)小的墨(mo)滴(di)；3D打(da)印機通(tong)過(guo)微(wei)流(liu)(liu)體(ti)(ti)噴(pen)(pen)嘴擠出熔融聚合物；鋼筆(bi)和圓珠筆(bi)中的墨水是(shi)通(tong)過(guo)微(wei)流(liu)(liu)體(ti)(ti)原(yuan)理流(liu)(liu)動的；哮/喘患者的噴(pen)(pen)霧器可(ke)以噴(pen)(pen)射出微(wei)小的藥液(ye)滴；懷孕測(ce)試依賴(lai)于尿液(ye)在微(wei)流(liu)(liu)體(ti)(ti)紙條中的流(liu)(liu)動。

在科學研究中，微流體可以(yi)將藥、營養物(wu)或(huo)任(ren)何液體引導(dao)到生物(wu)體的(de)特(te)定部(bu)分，以更精準地模擬生物(wu)過程。

例如，研究(jiu)人員將(jiang)蠕蟲困在通道中，用氣味刺激它們來了(le)解神經回(hui)路。另一(yi)個研究(jiu)小組將(jiang)營養物質導向植物根(gen)部的特定區域(yu)，觀(guan)察(cha)對生長化學物質的不同反應(ying)。其他研究(jiu)小組設計了(le)微流體陷阱，從血液中物理捕獲罕(han)見的腫瘤細胞。

大量的微(wei)流體(ti)遺傳芯(xin)片提供了對人類基因組進行快速測序的能(neng)力(li)，并使諸如(ru)23andMe之類的個(ge)性化DNA測試成為現實。 沒有微流體，這是不(bu)可能的。

微流體的(de)未來

微流體技(ji)術將是(shi)引導(dao)醫學進入(ru)一個新(xin)的(de)、快節(jie)奏的(de)、負擔得起的(de)時代的(de)關(guan)鍵。用于運動監測的(de)可(ke)穿戴(dai)設備，以及將抗/癌藥(yao)局(ju)部傳遞(di)到患者腫瘤(liu)上的(de)可(ke)植入(ru)設備，是(shi)生物醫學微流體的(de)下一個前(qian)沿領域。

研究人員正(zheng)在開發一種名為(wei)“芯片上的器(qi)官"的(de)復雜(za)而迷人(ren)的(de)微流體系統，旨在模擬人(ren)體生理的(de)各(ge)個方面。

在(zai)(zai)世界各地的(de)實驗室里，研(yan)究(jiu)團隊都正在(zai)(zai)開(kai)發(fa)芯片上的(de)腫(zhong)瘤平臺，以(yi)更有效(xiao)地測試抗(kang)/癌藥(yao)。這些病(bing)人的(de)化身，將使科學家(jia)能夠以(yi)一(yi)種不涉及與(yu)動物或人類(lei)試驗相(xiang)關的(de)成本、痛苦和倫理問(wen)題的(de)方(fang)式測試新(xin)的(de)治/療方(fang)法。

在實驗室里，我(wo)們首先將癌癥患者的(de)腫(zhong)瘤活(huo)檢(jian)解剖成(cheng)數千個顯微的(de)規則(ze)片段(duan)，然后讓(rang)它們存活(huo)下來。由于(yu)它們的(de)體(ti)積很小，我(wo)們可以使用微流體(ti)將微小的(de)腫(zhong)瘤碎片捕獲到多個孔中，每(mei)種藥一個孔。

這(zhe)(zhe)些樣本保留(liu)了腫(zhong)瘤的(de)適(shi)當細胞(bao)環境，這(zhe)(zhe)將使我(wo)們(men)能夠更準確地預測藥對特定人的(de)作用方(fang)式。

大(da)膽(dan)的(de)想象一下，你(ni)去(qu)看醫(yi)生，把活(huo)檢(jian)取出來，在不到(dao)一周的(de)時間里，通過(guo)使用我們的(de)微流體(ti)設備，醫(yi)生就能(neng)找出哪種雞尾酒(jiu)藥適合切除(chu)你(ni)的(de)腫(zhong)瘤。

雖然，這(zhe)仍是(shi)未(wei)來的事，但我們知道(dao)的是(shi)，未(wei)來將(jiang)是(shi)微流體技術的。