微流控芯片，化学和生物医学检测的“下一场革命”

应科学技术发展的需要，微流体在近几年也迅猛的发展。微流体是具有微尺度（几十到几百微米）集成通道系统的科学和技术。在其中，微量的液体（通常为10-9至10-18升）在系统的控制下进行特定模式的流动。听着如此黑科技的微流体的发展其实可以追溯到数十年前，生物化学分析的微量化和平面化要求是微流体发展很好的推动力。自那时起，“芯片实验室”和微尺度全面分析系统（μTAS）的概念就被逐步建立了起来。

在微流体的世界中，随着流体尺寸的缩小，其比表面积逐渐增加，这就使得其呈现和宏观流体不同的特性。总结起来，微流体主要有三个特点：高效质量传热，粘性对惯性力的相对优势，以及显著的表面效应。除此之外，高集成度的微流体系统有助于多个流体相的共存，并发生多样的相互作用。这些特征使得使用小型化设备控制和操纵单个流体以及流体界面成为可能，也使得微流体在包括物理，化学，生物，医药，以及工程的多个领域受到追捧。

今天，小编在这里想要和大家重点讨论一下微流体技术对于生物化学的革命性影响。微流体在生物化学领域的影响可谓十分广泛，其涉足了酶分析，DNA分析（例如聚合酶链反应和高通量测序），以及蛋白质组学分析等多个方面。微流体生物芯片的基本思想是将检测操作，样品预处理，以及样品的制备整合到一个芯片上，使其具有高通量的特性。这样的生物芯片也可以在临床病理学，特别是疾病的直接诊断中，起到重要的作用。此外，基于微流体的设备，比如能对空气或水样进行连续采样，以及实时检测的设备，可以用于生物化学毒素以及致病微生物的检测。除了上述的检测手段以外，微流控技术已经为生物学家提供了强大的工具来研究和控制完整的细胞环境，在细胞生长，衰老等多个方面成为了促进新发现的“神助攻”。下面，我们就来举几个具体的例子，看看微流体是怎么履行自己的职责的。

在生物分析方面，微流体在离子，小分子，生物大分子，如核酸和蛋白质，的检测方面都能发光发热，也为此引发了很多标准生物分子技术的革命。其为聚合酶链反应（PCR），逆转录PCR（RT-PCR），酶联免疫吸附测定（ELISA）等提供了全新的技术平台。此外，液滴微流体，微流体的一种，已经能够成功地进行细胞水平的分析，很多经典的细胞操作都可以在微液滴中进行。

以往提到化学反应，眼前浮现的就是那些怎么刷也刷不干净的瓶瓶罐罐。但是现在，微流控的液滴就能作为一个小型的化学反应器存在，并且研究人员能做到对其环境的精确控制。其已经被应用到多种反应中去了，包括滴定，沉淀，水解等等。抗凝血药物阿加曲班的液滴微流体平台就是一个极好的例子。其使得研究人员能够在一个芯片上面，通过部分促凝血酶原激酶活化时间来测量凝血时间，并借此确定阿加曲班的适当剂量。除了水相的反应，液滴微流体也支持有机相的反应。但是，此时，制造仪器所用的材料就需要精挑细选了，免得有机溶剂的腐蚀造成通道的变形。硫羟基聚合物就是一个不错的选择，其具有比PDMS材料更强的有机稳定性。

当然，除了小分子，利用微流体进行生物大分子的分析也是不在话下。现在的微流体技术已经被比较成熟地运用于DNA，RNA，以及蛋白质的分析领域，其甚至可以帮助蛋白质的结晶。

除了分子层面的分析，微流体也可以帮助研究人员直接进行细胞层面的操作。细胞包埋，组织培养，细胞冻存，复苏，裂解等等都已经是家常便饭，不足挂齿。让小编大开眼界的是，微流体甚至可以帮助细胞的基因传递。

基因传递是将外源基因引入宿主细胞的常用手段，其能够调节宿主基因的表达，甚至能够作为基因治疗的主要步骤。基因传递可以分为转染，转化和转导三类。研究人员曾经报导，利用质粒将增强型绿色荧光蛋白（EGFP）DNA转染进入中国仓鼠卵巢（CHO）细胞。其利用电穿孔在微流体液滴上打孔，破坏细胞膜，并引入质粒DNA。首先，研究人员将细胞和质粒DNA封装进入绝缘油滴中的导电缓冲液液滴中。而后，液滴通过两个微电极，电极之间施加电压，并将细胞穿孔。后续的验证实验也证明了细胞中确实出现了EGFP的信号，证明细胞转染成功。

除了细胞的转染，细菌的转化也是微流体大展身手的领域。研究人员曾经利用微流控液滴达成了大肠杆菌的热休克转化。含有大肠杆菌和质粒DNA混合物的液滴在冰浴PDMS通道中产生。而后研究人员将液滴收集到玻璃毛细管中，之后玻璃毛细管被放置在42℃的循环温水中，热休克转化就此发生。研究人员表示，转化效率和传统途径相当。

噬菌体对于宿主大肠杆菌的侵染也可以通过微流体来实现，该技术适合进行噬菌体文库侵染大肠杆菌后的表型观察实验。

由于近几年越来越深入的理论研究和技术创新，微流体被应用到了极其广泛的领域，包括物理，化学，生物，医疗和工程，其运用价值也日益得到肯定。 尽管已经有了这么多令人兴奋和引人注目的发展，但是我们在微流体领域仍然面临着挑战，主要体现在理论研究概念和解决现实世界问题的实际技术之间的转化。因此，在未来，我们仍然应该将精力放在基础研究上面，推动领域的发展，但是同时也要注重微流体技术的运用，尤其是在高通量领域的运用。发现发展新的材料，帮助微流体领域的发展和应用。在这些方面，中国的研究人员们也已经做出了很多优秀的贡献。

原始出处：

1.Shang, L., Cheng, Y. & Zhao, Y. Emerging Droplet Microfluidics. Chem. Rev. 117, 7964–8040 (2017).

2.Caen, O., Lu, H., Nizard, P. & Taly, V. Microfluidics as a Strategic Player to Decipher Single-Cell Omics? Trends Biotechnol. 35, 713–727 (2017).

3.Ma, S., Murphy, T. W. & Lu, C. Microfluidics for genome-wide studies involving next generation sequencing. Biomicrofluidics 11, 1–24 (2017).

4.Liu, Y. & Jiang, X. Why microfluidics? Merits and trends in chemical synthesis. Lab Chip (2017). doi:10.1039/C7LC00627F

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