微流控（Microfluidics）专题介绍-1、认识微流控

检验之星

1.认识微流控
关于微流控技术，我的启蒙就是哈佛大学George M. Whitesides教授2006年发表在nature上的“The origins and the future of microfluidics”[1] 。因为在我还分不清是“微流控”还是“飞流控”的时候，我的老师拿出了这个图：



图源Nature

后来我在网上搜索Whitesides时，才知道他简直是科研界殿堂级的人物！
我和我的朋友炫耀过，我学科领域的神人上过TED，写一篇AM教你如何写SCI，甚至他的文章都有人解读标点的深层含义。就是这篇文章！所以我也想给大家好好介绍一下这篇，了解微流控的大用处。
微流控芯片就是通过尺寸为数十至数百微米的通道，操纵或处理少量（10-9-10-18 L）的流体，也被人称为芯片实验室（Lab on a chip，LOC）。从这个名字上看就可以明白微流控芯片发展为什么这么迅速火热，比如说我们可以把研制的微流控芯片用在民生健康方面，作为一个微型健康监测系统……（后续会重点介绍）
微流控技术领域有以下四个分支：分子分析、生物防御、分子生物学和微电子学（MEMS）。这四个分支在不同方面促进了微流控技术的发展，也更加突出了采用微流控芯片的优势。采用微流控对分子进行分析时，可以使用非常少量的样品实现高灵敏度高分辨率的性能；相比传统的大型设备，微流控可以时间现场部署、安装、与监测；在分子生物学领域，微流控芯片可以处理更大的吞吐量，并具有高灵敏度、高分辨率等特点。
第四个促进发展的因素来自于微电子学。微流控技术最早是由A.Manz等人在19世纪20年代提出的微全分析系统发展而来[2]。采用光刻技术对硅、玻璃材料进行光刻加工。但随着微流控的发展，硅片材料的价格高昂和适用环境有限，研究人员逐渐采用聚合物作为芯片材料。到20世纪末，Whitesides的团队率先将弹性材料聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）用于芯片材料[3]。PDMS特点是易于制造并且成本较低，后面提到SERS检测和微纳制造中也会提到这个材料。我们只需要通过微纳加工手段制作母版，然后将PDMS硅油和固化剂混合在一起倒入母版中，倒模出微通道，甚至可以倒模出尺寸小于0.1um的微结构。最后，通过等离子体处理后，将两块PDMS板不可逆地键合，组成微流控芯片。这种密封方法不需要粘合剂，避免了通道堵塞的情况。
更新于2022/8/30 后续会更新Whitesides的一篇关于微流控的新综述，还会更新微流控芯片的时间轴，供参考~
<hr/>近期，Whitesides团队发表在 《lab on a chip》一篇有关于微流体展望的综述“An outlook on microfluidics: the promise and the challenge”[4]。 这篇文章聚焦在微流控芯片的应用与技术创新两个方面。
微流控技术在生物医学、环境污染检测、食品安全、材料制备等领域都有卓越的应用。
1) 生物医学
到目前为止，微流控在生物分析领域的应用主要集中在DNA测序、核酸分离和定量、基因分析等。早在1995年，AC期刊首次报道了在微加工毛细管电泳芯片上进行DNA测序的优秀工作[5]。在2 in.×3 in. 的玻璃材料上加工横截面为50×8 µm的微通道。实验表明，此芯片进行DNA 测序的准确度为97%，并且使用单色检测系统在10分钟内将测序延伸片段分离到约433个碱基，有效分离距离仅为3.5cm。这项工作实现了使用微流控芯片进行高速、高通量DNA测序的可行性。
至今，微流控芯片在生物医学上的应用越发成熟，在癌症早期筛查、POCT、新冠等传染病的诊断都有很多优秀的代表工作。并且对国内微流控芯片发展起到重要影响的林炳承教授团队，近几年的研究逐渐转向片上类器官领域。
2）环境监测与食品安全
环境保护一直是我们关注的话题。采用微流控芯片对水环境的检测、空气质量以及空气中爆炸物含量的监测尤为重要。原因有以下几点：1）价格低：芯片的材料多为聚合物，比较便宜，以及批量生产化加工过程比较经济实惠；2）体积小，方便携带，可与其他检测手段结合在一起进行现场原位在线监测；3）采样少，检测试剂消耗少，并且检测速度快，检测限低。
现在针对微流控芯片检测环境质量的工作主要集中在水环境重金属离子的检测以及空气中爆炸物的检测。
与环境监测的思想类似，我们可以通过刮取食物表面的成分采用微流控芯片进行防腐剂、添加剂等含量检测……
3）材料制备
由于微流体在芯片中可以被精确的控制流向和流速，可用于生产材料。例如，多种乳液可用于制备含有特殊成分的液滴或核壳颗粒，作为药品或者化妆品化合物。并且采用微流控可以原位合成具有特定形状的纳米颗粒，可用于个人护理或药物传递。
在这篇综述中，针对于不同的综述引入了很多文献，由于我只是研究其中某一个小分支，所以只大概总结了一些应用去向，推荐大家去看原文！
<hr/>下面是微流控技术的发展时间轴，想来想去还是以这种方式分享，截至 到2007年。随着微流控技术的迅速发展，近15年的优秀工作很多，下面我会针对每位教授的优秀工作进行展开！


到这里，我们专栏的第一篇“干货”就完成啦，也完成了（1/100）的任务，讲述了两篇Whitesides教授的综述，浅浅的让大家了解一下我研究的小领域。下一篇会讲林炳承教授，希望大家一整个期待住！！！
上述提到的文献大家需要的话，可以私信我，或者留下邮箱，我会打包发给大家的！
<hr/>参考文献
1. Whitesides, G. M., Nature 2006, 442 (7101), 368-373. DOI 10.1038/nature05058.
2. Manz, A.; Graber, N.; Widmer, H. M., Sensors and Actuators B: Chemical 1990, 1 (1), 244-248. DOI https://doi.org/10.1016/0925-4005(90)80209-I.
3.McDonald, J. C.; Duffy, D. C.; Anderson, J. R.; Chiu, D. T.; Wu, H.; Schueller, O. J.; Whitesides, G. M., Electrophoresis 2000,21 (1), 27-40. DOI 10.1002/(sici)1522-2683(20000101)21:1<27::Aid-elps27>3.3.Co;2-3.
4. Battat, S.; Weitz, D. A.; Whitesides, G. M., Lab on a Chip 2022, 22 (3), 530-536. DOI 10.1039/d1lc00731a.
5. Woolley, A. T.; Mathies, R. A., Analytical chemistry 1995, 67 (20), 3676-80. DOI 10.1021/ac00116a010.

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