在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，微流控芯片技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景，成為近年來科研和工業(yè)界的熱點。這種技術(shù)通過在微小尺度上控制流體，實現(xiàn)對生物樣本的精確操控和分析，為疾病診斷、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域帶來了革命性的變化。本文將深入探討微流控芯片的基本原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及未來的發(fā)展趨勢。
(一)微流控芯片簡介
1.1 微型化、集成化和智能化，是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個重要趨勢。伴隨著微機電加工系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，電子計算機已由當(dāng)年的“龐然大物”演變成由一個個微小的電路集成芯片組成的便攜系統(tǒng)，甚至是一部微型的智能手機。
與之發(fā)展類似，今天我們介紹的微流控芯片，又稱芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)，是一種以在微納米尺度空間中對流體進行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實驗室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等縮微到一個幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成。
1.2 各種材質(zhì)和功能的微流控芯片及實驗室相關(guān)配套儀器
微流控芯片早期也是從MEMS技術(shù)發(fā)展而來，通過微加工工藝在硅、金屬、高分子聚合物、玻璃、石英等材質(zhì)的基片上，加工出微米至亞毫米級的流體通道、反應(yīng)或檢測腔室、過濾器或傳感器等各種微結(jié)構(gòu)單元，而后在微米尺度空間對流體進行操控，配合流體控制或分析儀器自動完成生物實驗室中的提取、擴增、萃取、標(biāo)記、分離、分析，或者細(xì)胞的培養(yǎng)、處理、分選、裂解、分離分析等過程。
1.3 微流控芯片的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域
上世紀(jì)90年代初，A.Manz等人采用芯片實現(xiàn)了此前一直在毛細(xì)管內(nèi)完成的電泳分離，顯示了它作為一種分析化學(xué)工具的潛力;90年代中期，美國國防部提出對士兵個體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究;在整個90年代，微流控芯片更多的被認(rèn)為是一種分析化學(xué)平臺，因此往往和“微全分析系統(tǒng)”(Micro Total Analysis System, u-TAS)概念混用。因此，原則上，微流控芯片作為一種“微全分析”技術(shù)平臺可以應(yīng)用于各個分析領(lǐng)域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物醫(yī)學(xué)分析是熱點。
2000年G. Whitesides等關(guān)于PDMS軟刻蝕的方法在Electrophoresis上發(fā)表，2002年S. Quake等以微閥微泵控制為主要特征的“微流控芯片大規(guī)模集成”文章在Science上發(fā)表，這些里程碑式的工作使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界看到了微流控芯片超越“微全分析系統(tǒng)”的概念而發(fā)展成為一種重大的科學(xué)技術(shù)的潛在能力。例如，利用微流控芯片作為一種微反應(yīng)器，通過在微流控芯片上開展組合化學(xué)反應(yīng)或結(jié)合液滴技術(shù)，有望用于藥物合成與篩選，或納米粒子、微球、晶體等的高通量、大規(guī)模制備，甚至形成一種“芯片上的化工廠或制藥廠”。
二)微流控芯片的戰(zhàn)略意義
自微流控芯片誕生以來，一直受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。2001年，“Lab on a Chip”雜志創(chuàng)刊，它很快成為本領(lǐng)域的一種主流刊物，引領(lǐng)世界范圍微流控芯片研究的深入開展。2004年美國Business 2.0雜志在一篇封面文章把芯片實驗室列為“改變未來的七種技術(shù)之一”。2006年7月Nature雜志發(fā)表了一期題為“芯片實驗室”專輯，從不同角度闡述了芯片實驗室的研究歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，并在編輯部的社評中指出：芯片實驗室可能成為“這一世紀(jì)的技術(shù)”。至此，芯片實驗室所顯示的戰(zhàn)略性意義，已在更高層面和更大范圍內(nèi)被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界所認(rèn)同。
總結(jié)
微流控芯片技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，微流控芯片有望在未來為人類健康和環(huán)境保護帶來更多的創(chuàng)新和突破。
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