什么是“芯片實(shí)驗(yàn)室”？微流控的優(yōu)勢(shì)在哪里？

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，微流控系統(tǒng)是一套非湍流的、高度有序的流體操控系統(tǒng)，通常用于受控生物實(shí)驗(yàn)。大多數(shù)微流控器件的尺寸僅為幾百微米甚至更小。

微流控芯片示例

每套微流控系統(tǒng)都具備兩個(gè)基礎(chǔ)條件：流體通過(guò)微通道的行為，以及與之同步研發(fā)的具備用于流體流動(dòng)或控制的腔室和通道的高度微型化器件。

微流控的關(guān)鍵在于，與宏觀尺度的流體相比，微通道中的流體流動(dòng)行為有著本質(zhì)的差別。

微流控的應(yīng)用非常廣泛，從早期臨床分析到新型化合物的化學(xué)合成，再到生物化合物的高通量測(cè)定，甚至到活體器官系統(tǒng)的模擬等。

什么是“芯片實(shí)驗(yàn)室”？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，能夠?qū)⒄麄€(gè)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的基本操作單位集成到簡(jiǎn)單微系統(tǒng)上的技術(shù)就叫“芯片實(shí)驗(yàn)室”（lab on a chip）?！靶酒瑢?shí)驗(yàn)室”中的芯片是作為流體在其中流動(dòng)的微通道圖案，可被模塑或刻蝕。

微通道和外部宏觀環(huán)境之間的連接需要通過(guò)若干孔，這些孔穿透芯片，具有不同的尺寸，用于將流體注入芯片或從芯片中移除。在微流控芯片中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，流體被混合、分離或引導(dǎo)。最終結(jié)果可形成自動(dòng)復(fù)合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)。

此外，還必須專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)管理微通道中的流體，這些流體可作為嵌入元件存在于芯片內(nèi)或芯片外部。

微流控的優(yōu)勢(shì)在哪里？

在科學(xué)分析中，微流控技術(shù)相比于傳統(tǒng)宏觀尺度分析，具備更多優(yōu)點(diǎn)，這主要是由于微流控回路中各個(gè)器件的尺寸大大減小，以及微小體積中流體行為的意外改變，例如低雷諾數(shù)（Reynolds number）或格拉曉夫數(shù)（Grashof number）。

微流控的優(yōu)勢(shì)還有：對(duì)樣品尺寸要求更小，對(duì)試劑需求量更少。這些因素往往引起高昂成本或難以從大量樣品中分離。因此，微流控技術(shù)在整個(gè)應(yīng)用范圍內(nèi)都可以顯著降低成本。

因?yàn)槲⒊叨妊芯克璧姆治鑫镄枨罅繕O低，研究的機(jī)會(huì)更多。此外，由于每個(gè)通道所需的空間減少，可以同時(shí)處理多種分析物，從而提供高通量的解決方案。

由于生物和化學(xué)領(lǐng)域中微流控測(cè)定的高通量特性，微流控系統(tǒng)允許異構(gòu)系統(tǒng)（heterogeneous system）具有更高的精確度。因?yàn)閱渭?xì)胞甚至分子可以在體外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，所以多種變量的異質(zhì)性可以在細(xì)胞群中表現(xiàn)出來(lái)。

由于器件尺寸小，比傳統(tǒng)臺(tái)式設(shè)備具有更大的靈活性。

小型器件尺寸大大增強(qiáng)了高分辨率分離和檢測(cè)的能力。由于檢測(cè)極限的降低，因此可以實(shí)現(xiàn)極高的靈敏度。該系統(tǒng)可以提供非常精確的結(jié)果，并能夠精確控制參數(shù)。

因此，微流控系統(tǒng)非常適合用于高度自動(dòng)化的過(guò)程，操作人員的操作次數(shù)也可降至最低。所以它們可用于建立具有多種功能的多階段反應(yīng)，所需操作人員只需具備有限專(zhuān)業(yè)知識(shí)即可。

使用占地面積少的小型設(shè)備，縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間并提高了生產(chǎn)效率，便于集成到各種實(shí)驗(yàn)設(shè)置中。

便攜性的提高使微流控器件成為即時(shí)診斷（point-of-care）設(shè)備的理想之選。易用性和低生產(chǎn)成本也使得微流控器件更具有吸引力。同時(shí)，這些器件的易處理性及其廣泛的應(yīng)用也增加了它們的實(shí)用性。

總結(jié)和展望

因此，當(dāng)用于微尺度時(shí)，微流控系統(tǒng)利用了流體性質(zhì)的改變，無(wú)論是液體還是氣體。微流控提供的控制水平改變了研究人員研究分子間相互作用的方式。這種高效工具的使用正在擴(kuò)展到多個(gè)研究領(lǐng)域，特別是生物醫(yī)療領(lǐng)域。