微流控是一種新興的微型化技術(shù)，它將傳統(tǒng)的流體控制技術(shù)應(yīng)用于微米和納米尺度中。這種技術(shù)利用微型管道和微閥門等微型制造工藝，在微米和納米級(jí)別上控制和處理微小液滴或單元，并實(shí)現(xiàn)高效、精確的分析和檢測(cè)。
微流控技術(shù)是指一種用微米或納米級(jí)流道來(lái)控制、操作和分析微量液體的技術(shù)。它是將微型加工技術(shù)、微流體力學(xué)和生物分子分析等領(lǐng)域結(jié)合在一起，將生物分析、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域推向了一個(gè)全新的高度。其主要應(yīng)用于藥物篩選、基因組分析、細(xì)胞培養(yǎng)和分析、微生物分析、微流控診斷等領(lǐng)域。
微流控系統(tǒng)的核心是微流體芯片，也稱為實(shí)驗(yàn)室芯片，該芯片通常由聚合物、玻璃、硅等材料制成，具有微米級(jí)別的通道和微結(jié)構(gòu)，在不同的通道和反應(yīng)腔中加入液體、細(xì)胞和生物分子，可以進(jìn)行多種復(fù)雜的生物和化學(xué)反應(yīng)。
常規(guī)來(lái)講，一個(gè)微流控系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)子系統(tǒng)：
1.流體驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。
2.過(guò)程監(jiān)測(cè)及控制子系統(tǒng)。
3.微流控芯片。
4.檢測(cè)分析子系統(tǒng)。
流體驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)此部分通常由微流體驅(qū)動(dòng)泵組成。壓力泵、注射泵和蠕動(dòng)泵是常用的微流體驅(qū)動(dòng)泵，可滿足多種微流控應(yīng)用需求，其中，壓力泵常用于高穩(wěn)定性微流體進(jìn)樣(如液滴制備)，注射泵常用于中等精度和高壓微流體進(jìn)樣(如微流控石油驅(qū)替)，蠕動(dòng)泵常用于低精度大流量循環(huán)流體進(jìn)樣。過(guò)程監(jiān)測(cè)及控制子系統(tǒng)此部分通常由流量傳感器和各種閥門組合而成。在此子系統(tǒng)中，即可實(shí)現(xiàn)流量的反饋控制，同時(shí)，結(jié)合閥門控制，也能實(shí)現(xiàn)流體的序列進(jìn)樣、循環(huán)進(jìn)樣和體積定量等多種流體操控。
微流控系統(tǒng)包括流道、微閥、微泵、控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)等組成部分。其中，微流道是系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分，其直徑一般在幾微米到幾百微米之間，可以通過(guò)微加工技術(shù)制造成各種形狀的結(jié)構(gòu)，例如直通流道、分支流道、交叉流道等等。微流道中的液體可以被精確地控制和分流，以實(shí)現(xiàn)微小管道中的控制和操作。微閥和微泵則是系統(tǒng)中用于控制流體運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，常用的驅(qū)動(dòng)方法有壓力、電動(dòng)、機(jī)械和化學(xué)驅(qū)動(dòng)等。
控制系統(tǒng)是微流控系統(tǒng)中的另一個(gè)重要組成部分，可以通過(guò)電腦和專用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行和控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)則可檢測(cè)或讀取系統(tǒng)中液體的變化，例如檢測(cè)微流道中特定分子的濃度、檢測(cè)細(xì)胞狀態(tài)、檢測(cè)快速混合后反應(yīng)物濃度等等。
微流控是由生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、材料、機(jī)械、電子等學(xué)科交叉而成的創(chuàng)新型研究熱點(diǎn)，既是一門通過(guò)微通道(尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米)來(lái)研究流體力學(xué)的自然科學(xué)，又是一門通過(guò)微型化設(shè)備來(lái)操縱微流體(體積為微升到納升)的系統(tǒng)技術(shù)。微流控系統(tǒng)在時(shí)間和空間上，都為分子濃度控制帶來(lái)了全新的技術(shù)解決方案，與傳統(tǒng)方法相比，微流控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)樣品體積很小，精度高：能用非常少的樣品得到很高效率的分析，比如在化學(xué)反應(yīng)中立方毫米量級(jí)的液體就足以得到有效的反應(yīng)，而且由于微流道細(xì)小，其反應(yīng)區(qū)體積很小，所以化學(xué)反應(yīng)的精度更高，可以有效地規(guī)避質(zhì)量誤差。
(2)快速、靈敏：反應(yīng)速度很快，這是因?yàn)樵谖⒘鞯乐?，可以做到混合、傳質(zhì)等過(guò)程，因此時(shí)間比大型反應(yīng)設(shè)備快得多。此外，由于系統(tǒng)中液滴尺寸較小，因此靈敏度高。
(3)節(jié)約成本，節(jié)能環(huán)保：由于用的是微型裝置，相比傳統(tǒng)方法，其所需的試劑量和能源消耗都大幅度減少，成本更低，又因?yàn)樗铇悠泛苌伲瑢?duì)環(huán)境污染的作用也大大降低。
微流控系統(tǒng)是一種利用微小通道和微結(jié)構(gòu)來(lái)操控微流體的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和物理等領(lǐng)域。該技術(shù)具有高效、快速、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于微小尺寸的實(shí)驗(yàn)和分析非常適用。
其基本原理是將流體引導(dǎo)到微小通道中，并利用微型閥門、泵和混合器等微結(jié)構(gòu)控制流體的流動(dòng)和反應(yīng)過(guò)程。這些微小結(jié)構(gòu)通常由微納加工技術(shù)制造而成，如光刻和電子束曝光。通過(guò)調(diào)節(jié)微型閥門和泵的開關(guān)時(shí)間和頻率，可以在微通道中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的流體操作，如混合、輸送、分離等。
該系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在細(xì)胞分析和診斷方面。以單細(xì)胞分析為例，傳統(tǒng)的方法需要大量的樣品和試劑，而該技術(shù)能夠?qū)⒓?xì)胞單獨(dú)拍攝并分離，使得分析更加準(zhǔn)確。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的定向培養(yǎng)和轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步推動(dòng)了細(xì)胞研究的進(jìn)展。
除了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于化學(xué)和物理領(lǐng)域。例如，可以實(shí)現(xiàn)高通量的化合物篩選，從而加速新藥開發(fā)的進(jìn)程。此外，還可以用于制備納米材料、液滴生成和懸浮液體的分離等方面。
目前，隨著科技進(jìn)步以及各行業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化程度要求不斷提高，微流控系統(tǒng)在生命科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。下面介紹下其在細(xì)胞分析和藥物篩選方面的應(yīng)用情況。
1.在細(xì)胞分析中的應(yīng)用
細(xì)胞是復(fù)雜多樣性組成結(jié)構(gòu)，在診斷與治療上發(fā)揮重大作用。而傳統(tǒng)方法如：培養(yǎng)皿法或者人工注射方式會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，如無(wú)法滿足單個(gè)或群體細(xì)胞檢測(cè)需求；操作麻煩難以產(chǎn)生可重復(fù)結(jié)果；易誤差且可能感染交叉污染等缺陷問(wèn)題限制其使用范圍。微流控系統(tǒng)則可有效地解決這些問(wèn)題。
通過(guò)微流控芯片的設(shè)計(jì)和制造，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞或群體細(xì)胞的分析、分類、篩選等操作，并且具有高通量性能。例如，利用微流控技術(shù)結(jié)合荷蘭玫瑰素染料等方法，可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出腫瘤細(xì)胞中環(huán)氧酮還原酶活性的變化情況；又如在稀釋液相模式下，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控癌細(xì)胞與間質(zhì)交互反應(yīng)及其影響方式，在后期進(jìn)行進(jìn)一步篩選和治療方案設(shè)計(jì)。
2.在藥物篩選中的應(yīng)用
傳統(tǒng)藥物篩選過(guò)程復(fù)雜而耗費(fèi)時(shí)間，需要大量人力成本投入到各類測(cè)試樣品處理上面，導(dǎo)致效率低下且可能產(chǎn)生很多偏差結(jié)果。但是采用了本技術(shù)之后，能夠?qū)⑻幚砭忍嵘良{米級(jí)別同時(shí)也提供了更加具有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
目前許多醫(yī)學(xué)科學(xué)家已經(jīng)開始使用微型脂質(zhì)體作為載體來(lái)測(cè)定新型抗癌化合物活性及其副作用，大大提高了藥物研究的效率和質(zhì)量。同時(shí)還可以利用微流控芯片中多個(gè)單元通道進(jìn)行并行測(cè)試，快速地篩選出具有有效治療作用的化合物。
該技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，但是由于其制造和操作較為復(fù)雜，仍然存在一些挑戰(zhàn)。例如，需要高精度的器件制造技術(shù)和對(duì)微流體行為的深入了解，以保證流體在微通道中的穩(wěn)定流動(dòng)。同時(shí)，還需要對(duì)微型閥門和泵等微結(jié)構(gòu)的靈活控制能力進(jìn)行優(yōu)化，以提高可操作性和控制精度。
總的來(lái)說(shuō)，微流控系統(tǒng)是一種非常有前途的技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用空間。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善和提升，相信將會(huì)在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和物理等領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮重要作用，并推動(dòng)科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)步。
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