什么是“芯片实验室”？微流控的优势在哪里？

据麦姆斯咨询报道，微流控系统是一套非湍流的、高度有序的流体操控系统，通常用于受控生物实验。大多数微流控器件的尺寸仅为几百微米甚至更小。

微流控芯片示例

每套微流控系统都具备两个基础条件：流体通过微通道的行为，以及与之同步研发的具备用于流体流动或控制的腔室和通道的高度微型化器件。

微流控的关键在于，与宏观尺度的流体相比，微通道中的流体流动行为有着本质的差别。

微流控的应用非常广泛，从早期临床分析到新型化合物的化学合成，再到生物化合物的高通量测定，甚至到活体器官系统的模拟等。

什么是“芯片实验室”？

简单地说，能够将整个在实验室中进行的基本操作单位集成到简单微系统上的技术就叫“芯片实验室”（lab on a chip）。“芯片实验室”中的芯片是作为流体在其中流动的微通道图案，可被模塑或刻蚀。

微通道和外部宏观环境之间的连接需要通过若干孔，这些孔穿透芯片，具有不同的尺寸，用于将流体注入芯片或从芯片中移除。在微流控芯片中，根据实验需要，流体被混合、分离或引导。最终结果可形成自动复合系统，从而实现高通量检测。

此外，还必须专门设计开发系统来管理微通道中的流体，这些流体可作为嵌入元件存在于芯片内或芯片外部。

微流控的优势在哪里？

在科学分析中，微流控技术相比于传统宏观尺度分析，具备更多优点，这主要是由于微流控回路中各个器件的尺寸大大减小，以及微小体积中流体行为的意外改变，例如低雷诺数（Reynolds number）或格拉晓夫数（Grashof number）。

微流控的优势还有：对样品尺寸要求更小，对试剂需求量更少。这些因素往往引起高昂成本或难以从大量样品中分离。因此，微流控技术在整个应用范围内都可以显著降低成本。

因为微尺度研究所需的分析物需求量极低，研究的机会更多。此外，由于每个通道所需的空间减少，可以同时处理多种分析物，从而提供高通量的解决方案。

由于生物和化学领域中微流控测定的高通量特性，微流控系统允许异构系统（heterogeneous system）具有更高的精确度。因为单细胞甚至分子可以在体外进行实验操作，所以多种变量的异质性可以在细胞群中表现出来。

由于器件尺寸小，比传统台式设备具有更大的灵活性。

小型器件尺寸大大增强了高分辨率分离和检测的能力。由于检测极限的降低，因此可以实现极高的灵敏度。该系统可以提供非常精确的结果，并能够精确控制参数。

因此，微流控系统非常适合用于高度自动化的过程，操作人员的操作次数也可降至最低。所以它们可用于建立具有多种功能的多阶段反应，所需操作人员只需具备有限专业知识即可。

使用占地面积少的小型设备，缩短了周转时间并提高了生产效率，便于集成到各种实验设置中。

便携性的提高使微流控器件成为即时诊断（point-of-care）设备的理想之选。易用性和低生产成本也使得微流控器件更具有吸引力。同时，这些器件的易处理性及其广泛的应用也增加了它们的实用性。

总结和展望

因此，当用于微尺度时，微流控系统利用了流体性质的改变，无论是液体还是气体。微流控提供的控制水平改变了研究人员研究分子间相互作用的方式。这种高效工具的使用正在扩展到多个研究领域，特别是生物医疗领域。