图解微流控｜第3期

发表时间：2021-08-29 13:46

绪论（三）

1.6 应用领域

在现阶段，微流控芯片既是一门科学，又是一种技术。无论是科学还是技术，它最终的出口是应用。理论上讲，微流控芯片可以应用于任何涉及到流体的学科，其中最直接的应当是化学、生物学和医学，与此同时，它的第二波影响力已经渗透到了一些传统观念中不太涉及流体的学科，譬如光学和信息学。所有这些学科都将直面社会各行各业的实际需求，已经涉及的领域包括疾病诊断、药物筛选、环境检测、食品安全、司法鉴定、体育竞技以及反恐、航天等事关人类生存质量的方方面面。

1.6.1 化学

微流控芯片最初的应用领域是化学，更确切地说是分析化学。微流控芯片的第一批研究工作是以芯片毛细管电泳的形式开始的，因此涉及到大量的DNA分析、蛋白质分析和手性拆分等方面的应用，大体上属于分析化学的范畴。此后一段时间，虽然平台的形式在毛细管电泳的基础上有所扩充，在芯片上出现了更多的分离单元、检测单元和样品处理单元，但是在本质上还是分析化学。因此，在那一段时间，微流控芯片和微全分析系统的概念混用。

微流控芯片作为一种分析化学平台的优势包括耗样量低、分析速度快、具有高灵敏度和高分辨率，还可以把样品处理、分离、反应等与分析相关的过程集成在一起，大大提高分析的效率（图1-18（a））。

微流控芯片在化学上的另一个应用是反应，特别是对于高附加值化学品的合成，以及一些重要的催化反应、控制模拟。有很长一段时间，微流控芯片在合成领域的应用曾经因为它过于微小的体积而遭到忽略，但是现在已有越来越多的人认识到，这一缺陷完全可以通过提高合成反应的通量弥补，此时，微流控芯片作为一种化学合成平台包括传质传热迅速，副产物少，单位时间得率高（图1-18（b））等的优势得到显现。这些优势很可能为高附加值化学品，特别是以微纳米粒子为基质的材料生产领域带来革命性的变化。

图1-18 微流控芯片在化学领域的若干应用

（a）分析化学;（b）化学合成

（I）一种分离分析用微流控芯片和对应的分离谱图^[11]，0.8 ms内两种染料rhodamine B（RB）和dichlorofluorescein（DCF）即可实现基线分离；（II）一种分离分析用微流控芯片和对应的分离谱图^[12]，该芯片集成了分离前的样品预处理操作单元（被分析物的荧光标记）；（III）一种基于微流控芯片的阵列微反应器^[13]，图中每个液滴包含一个反应，液滴的产生方法见图1-6（d）；（IV）利用这种阵列化微反应器合成出的微米粒子^[14]，它们在分子生物学中应用广泛

1.6.2 生物医学

现阶段，微流控芯片在生物学中最重要的应用领域是细胞生物学。在很多情况下细胞的线性尺寸在10-100 μm之间，正好和现行的微流控芯片的构件尺寸相仿，再加上目前使用的PDMS等材料所具有的低毒生物相容性及对氧、二氧化碳等的通透性，使得有很大一部分芯片成为细胞研究极为重要的平台，包括细胞培养、刺激、分选和裂解等单元过程都可以在芯片平台上实现，所涉及的最直接的应用领域包括生物传感器、干细胞研究以及药物筛选等。（图1-19）

图1-19 若干应用于生物医学领域的微流控芯片

（a）一种疾病诊断用微流控芯片^[15]，可直接对原始血样进行分析；（b）作者实验室开发的一种药物筛选用微流控芯片[5]，可一次筛选8种药，64个筛选条件，192个筛选指标；（c）一种细胞微流控芯片^[16]，该芯片集成了细胞培养、裂解等操作单元；（d），（e）在微流控芯片上生长的细胞^[17]；（f），（g）在微流控芯片上细胞的排布

在医学领域的应用往往被看成是对分析化学研究和生物学研究的直接结果。现阶段在医学领域的重要应用之一是临床诊断，微流控芯片有可能对全球化的公共健康作出贡献，其中典型的工作是以“现场即时检测”（point of care）为代表的微流控芯片诊断。现场即时检测是现代临床检验的一个重要分支，它泛指医生或其他科研人员在中心实验室以外所做的任何实验室指标的检测，与中心实验室相比，这种检测具有小型、便携、快捷、方便等优点，适用于发达国家的家庭和发展中国家的边远贫困地区。芯片实验室是使现场实时检测理念付诸实施的理想平台，可能会对全球公共健康具有重要意义。

1.6.3 光学

微流控芯片和光学器件的结合有可能对现有的光学系统进行重新构建，进而发展出全新的通过微流体控制光学过程的光流控技术。这种技术所需要的装置将有更高的集成度，也更加紧凑。光流控涉及到三种类型的相互作用，一是流体和固体界面，二是纯流体界面，三是胶状悬浮液。相对于微流控芯片的前面两大类应用，光流控还只是处于萌芽状态，虽然其中一些装置已经产业化，但是更多的技术组成甚至于一些基本概念还只刚刚发展起来。有一点可以肯定的是，光流控装置将是微机电系统（MEMS）的一个非常好的补充。光流控最重要的特点是动态可调，改变流体的种类或流动方式，光的产生或传播便会发生改变。

图1-20所示为几种光流控系统实例。（a）为一种微流控芯片染料激光器^[18]，微通道中并行的三种染料溶液流动方向如箭头所示，这三种染料被激光激发所产生的荧光由于全反射只能在各自流道内传播，在传播过程中荧光能量被不断放大，最终以激光的形式射出，左上角为激光器照片。改变染料的种类就可以改变出射激光的波长，改变染料流的宽度就可以改变激光斑的大小，改变微通道的长度就可以改变出射激光的强度。（b）为另一种微流控芯片染料激光器^[19]，染料被激光激发所产生的荧光被布拉格光栅不断放大，最终从两端以激光的形式射出。改变染料的种类或挤压弹性PDMS芯片改变光栅栅格距离就可以改变出射激光的波长。（c）为一种微流控显微镜^[20]，利用入射光穿过小孔后强度的变化便可对微通道中的物体成像，这种成像方式具有高分辨率（理论上可小于1 pixel），（I）为微流控显微镜所拍摄的线虫照片，（II）为常规显微镜所拍摄的照片。

图1-20 光流控例示

1.6.4 信息学

利用微流体的可控流动可以对信息进行加工或处理。当前，微流控芯片主要应用于信息学的三个分支领域，信号加密解密^[21]、逻辑运算^[22]和DNA计算^[23]。在微流体液滴运动中，原始信号和加密信号间的可逆转化是非线性的，因此可以用于信号加密和解密，利用现有技术实现非线性可逆转化则具有很大的难度。非线性加密的信号破解难度较大，应用领域十分广泛。此外，微流控芯片可以应用于计算领域，理论上说，这种微流控芯片计算机在十几个小时的运算量就相当于所有电子计算机问世以来的总运算量。当然，利用微流控芯片处理信息当前还处于萌芽阶段，但其所展示的潜力越来越难以忽视，很有可能成为未来信息处理领域一个重要的分支，在军事、通信等领域得到广泛的应用。

图1-21（a）是一种基于微流控芯片的密码系统^[21]，两个液滴经过加密微通道环后距离会发生变化，这种距离的变化即可被用于编码信号，再经过解密微通道环，编码信号即被解密；（b）为微流控芯片逻辑振荡子，气泡在环中循环震荡，如箭头所示；（c）为微流控芯片逻辑协同子，上下两个气泡可以在同一时间到达同一地点；（d）为作者课题组研制的一种DNA计算微流控芯片示意。