摘要：微流控（Microfluidics）是一种使用微通道处理或操控微小流体的技术，且为涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等大型反应或检测系统缩微到一个几平方厘

微流控（Microfluidics）是一种使用微通道处理或操控微小流体的技术，且为涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等大型反应或检测系统缩微到一个几平方厘米载体上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成，符合现代科技发展微型化、集成化和智能化的趋势，类似电子计算机由当年的“庞然大物”演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统，微流控反应的载体通常被称为“微流控芯片”。

1、微流控技术的起源

微流控技术诞生于 20 世纪 90 年代，当时研究者开始探索微小液滴在微通道中的流动、混合和操作。早在 1990 年 Manz 等人成功地利用微流控技术进行了体外细胞电泳分离，实现了等同毛细血管的重要功能。并提出了“微-全分析系统”（Miniaturized Total Analysis Systems，μTAS）。

2002年，Quake 等在 Science 上发表了题为《Microfluidic Large-Scale Integration》的论文，在一个芯片上集成了上千个控制阀和几百个反应器，并利用微阀微泵技术来精准控制微流体流动和反应，掀起了广大科研工作者对于微纳流控技术应用领域的广泛重视和关注，在微流控芯片上既可以开展组合化学反应用于分析诊断，同时也用于药物合成与筛选，或纳米粒子、微球、晶体等的高通量、大规模、快速制备，形成一种“芯片上的化工厂或制药厂”，使得微流控芯片超越了化学分析平台的概念，有望发展成为一种重大的科学技术的潜力。

2003 年，Forbes 杂志将微流控技术评为影响人类未来 15件最重要的发明之一。2006 年，Daw 等人在 Nature 杂志上发表了题为“Lab on a Chip”的报道，从多个视角去分析并阐述了微纳流控芯片的发展、应用，并将微流控列为“本世纪七大技术”之一。至此，芯片实验室所显示的战略意义，已在更高层面和更大范围内被学术和产业界所认同。

2、微流控技术不同的实现路径

在微流控技术中，微流体驱动和控制技术是实现微流体控制的前提和基础。根据微流体驱动方式不同，主要分为两类：主动型微流控和自驱式微流控。主动型微流控是利用外源性驱动力进行微流体操控的方式；而自驱式微流控通常是指利用表面亲疏水特性或毛细力来进行流体的输运与处理的方式，其特点是自驱动、无需额外泵源和能源。不同驱动方式的具体技术特点及应用现状如下：

主动型微流控

压力：利用气压或液压或气液压混合，来控制液体在芯片中的运动；当压力不平衡时，尤其是在多个输入口进行流量切换时，可能会产生倒流。

离心力：一般为对称盘式构型，利用旋转产生的离心力来驱动液体在芯片中的运动，设备简单，流速稳定易调，单一电机即可驱动数十至数百个独立结构单元，有利于微流控芯片的高通量化；由于运行过程中需要使芯片高速旋转，技术层面实现液流控制及检测等的难度更大。。

磁力：利用磁场来控制流体中的磁性物质，以驱动流体的运动；样品处理通量较低

微流体的控制技术则主要有电渗控制和微阀控制两类，具体技术特点及应用现状如下：

电渗控制：控制微流道内的液体沿通道内壁作整体定向移动，操作简便和灵活，仅通过调节微流道网络中不同节点的电压值，就可控制微流体的迁移速度和运行方向，完成较为复杂的混合、反应和分离等操作。

微阀

有源阀：程度的应用控制不需要外部的动力或控制，利用流体本身流向和压力的变化就可实现阀状态的改变。

无源阀：控制有源阀也称主动阀，其原理是利用外界致动力来实现阀的开启和关闭操作；具有多种致动机理，包括气动、热膨胀、压电效应、形状记忆合金、静电、电磁等，具有低泄露、低功耗、速度快、线性范围宽、适应面广。

此外，材料的选择也是影响微流控芯片成本和性能的关键要素，主要考虑因素包括优良的加工性能，便于大批量生产以降低费用；生物相容性或化学惰性，不影响分析试剂、药物的化学性质；散热和绝缘性；良好的光透性，适应光学检测的要求以及材料的表面可修饰性和可密封性能等。合适的材料对于制作工艺选择和微流控芯片的成功应用非常重要。

3、微流控技术发展制约因素

①微流控芯片设计复杂

微流控芯片的微流道宽度尺寸较小，一般为微米级别的凹槽，其设计原理强调对微小流体的高度精确控制和操作，包括基于微通道、微阀门、试剂位分布、检测系统以及流体性质的控制等，需要精密的设计才能达到多试剂之间互不干扰精准输出结果。

②微流控芯片生产制作工艺复杂，且成本高昂

微流控芯片的生产要考虑微流控芯片生产工艺，包括微流控芯片的模具设计、材质选择（兼顾性能和成本）、表面处理、芯片封装等，涉及工业制造、力学、材料学、生物医学等多个交叉学科，制造过程复杂。微流控芯片核心区域仅几平方厘米大小，对加工精度、分析灵敏性等有非常高的要求。另外，由于芯片及封装材质对透光率要求高、生产工艺较复杂等原因，现有技术中制造的芯片的制作成本高、成品率低。在目前加工条件下，大多数企业的微流控芯片的生产成本在几十到上千元区间。

③微流控设备设计考验企业跨学科系统集成能力

为了适配微流控芯片需求，设备的设计需考虑芯片的控制和驱动、光源的发射和捕获、光源数据的可视化处理及人机交互界面等诸多要素。如何实现多项互斥指标的均衡，是复杂的系统工程。微流控技术成果的落地，不仅仅需要性能良好的芯片设计及生产，亦需要精密稳定的微流控设备提供支持。对微流控企业在机械设计、光学工程、电子工程及计算机软件等多领域综合能力提出较高的要求，是否能够研制结构简单、便携性强、稳定性高的设备是微流控企业的核心竞争力之一。

来源：思瀚研究院