技术解析：微流控芯片为什么这样强大？
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技术解析：微流控芯片为什么这样强大？
　　从1990年Manz等人首次提出了微型全分析系统的概念，到2003年Forbes杂志将微流控技术评为影响人类未来15件最重要的发明之一，微流控技术得到了飞速的发展，其中的技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在生物、化学、医药等领域都发挥着巨大的作用，成为科学家手中流动的& 芯&。本文引用地址：　　技术　　微流控，是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术。通过在微尺度下流体的控制，在20世纪80年代，微流控技术开始兴起，并在DNA芯片，芯片实验室，微进样技术，微热力学技术等方向得到了发展。　　微流控分析芯片最初在美国被称为&芯片实验室&（lab-on-a-chip），在欧洲被称为&微整合分析芯片&（micrototal analytical systems），它是微流控技术（Microfluidics）实现的主要平台，可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。有着体积轻巧、使用样品及试剂量少，且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点的，在生物、化学、医学等领域有着的巨大潜力，近年来已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。　　微流控芯片的原理　　　　微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵。电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量分析。微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统？微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构，如毛细管电泳、聚合酶链反应、酶反应和DNA 杂交反应的微型反应器等 。其中电压驱动的毛细管电泳（Capillary Electrophoresis ， CE） 比较容易在微流控芯片上实现，因而成为其中发展最快的技术。它是在芯片上蚀刻毛细管通道，在电渗流的作用下样品液在通道中泳动，完成对样品的检测分析，如果在芯片上构建毛细管阵列，可在数分钟内完成对数百种样品的平行分析。自1992 年微流控芯片CE 首次报道以来，进展很快？首台商品仪器是微流控芯片CE （ 生化分析仪，Aglient） ，可提供用于核酸及蛋白质分析的微流控芯片产品。　　微流控芯片的发展　　微全分析系统的概念是在1990年首次由瑞士Ciba2Geigy公司的Manz与Widmer提出的，当时主要强调了分析系统的&微&与&全&，及微管道网络的MEMS加工方法，而并未明确其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动。微型全分析系统当前的发展前沿。微流控分析系统从以毛细管电泳分离为核心分析技术发展到液液萃取、过滤、无膜扩散等多种分离手段。其中多相层流分离微流控系统结构简单，有多种分离功能，具有广泛的应用前景。已有多篇文献报道采用多相层流技术实现芯片上对试样的无膜过滤、无膜渗析和萃取分离。同时也有采用微加工有膜微渗析器完成质谱分析前试样前处理操作的报道。流控分析系统从以电渗流为主要液流驱动手段发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段。　　直至今日，各国科学家在这一领域做出更加显著地成绩。微流控技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在研究与应用方面都取得了飞速的发展。　　微流控芯片的特点　　芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模也归来越大，使着微流控芯片有着强大的集成性。同时可以 大量平行处理样品，具有高通量的特点，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析样品所需要的试剂量仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积甚至在纳升级或皮升级。　　廉价，安全，因此，微流控分析系统在微型化。集成化合便携化方面的优势为其在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。　　微流控芯片的前景　　微流控分析芯片最初只是作为纳米技术革命的一个补充，在经历了大肆宣传及冷落的不同时期后，最终却实现了商业化生产。微流控分析芯片最初在美国被称为& 芯片实验室&（lab-on-a-chip），在欧洲被称为&微整合分析芯片&（micrototal analytical systems），随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展，微流控芯片也得到了迅速发展，但还是远不及&摩尔定律&所预测的半导体发展速度。　　原则上，微流控芯片可以用于各个分析领域，如生物医学、新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应用领域，其中生物分析是热点。目前其应用主要集中在核酸分离和定量、DNA 测序、基因突变和基因差异表达分析等。另外，蛋白质的筛分在微流控芯片中也已有报道针对病原微生物基因组的特征性片段、染色体DNA 的序列多态型？基因变异的位点及特征等，设计和选择合适的核酸探针，经PCR 扩增后检测，就能获得病原微生物种属、亚型、毒力、抗药、致病、同源性、多态型、变异和表达等信息，为疾病的诊断和治疗提供一个很好的切入点。　　国际上公认的PCR 产物检测共有五种方法，按其灵敏度高低顺序排列为：毛细管电泳法、固相杂交法、液相杂交法、高压液相杂交法和凝胶电泳法（不推荐临床） 。微流控芯片CE 以毛细管电泳为该芯片主体，无需进行探针杂交，受检样品的信号获得率接近百分之百。微流控芯片CE 可检测15~7500bp范围的PCR 产物，分辨率可达20bp ，样品微量化使扩散进一步减少，分离效果极好，每孔可供多个不同的PCR 产物作同时分析。　　我国在微流控分析方面的研究虽然起步较国外晚了四到五年，但在多个相关的学科领域都具有足够的积累与优势，我国具有世界上最大的微流控芯片市场，用中国的芯片产品占领这一市场是我国科学家责无旁贷的使命。3月26日多名微流控领域的专家也将参加在上海举办的2015（第三届）先进体外诊断技术峰会，共同对微流控的先进技术进行总结和分析，对我国的微流控芯片研究领域进行更多的解读。相信经过不懈的努力，微流控芯片蓬勃的发展在我国很快将会到来。
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我国微流控芯片的发展现状以及市场前景分析
的诞生是伴随着现代分析科学技术的不断进步而实现的。分析技术的进步极大的推动了生命科学的发展，与此同时，人们对生命科学的研究从宏观逐步深入到微观，为了适应生命科学从宏观到微观的发展的需要，分析仪器正不断趋于微型化，而技术成为生命科学发展必不可少的关键因素。&微流控芯片分析是当前的科技前沿领域之一，其目标是通过对芯片微通道网络内微流体的操纵和控制，完成化学中取样、预处理、反应、分离和检测等分析功能，实现分析装备的微型化、集成化和自动化，最终实现芯片化，即所谓&芯片实验室&（Lab-on-a-chip）。微流控芯片已被列入21世纪最为重要的前沿技术的行列。&微流控芯片的特点：　微流控芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模也归来越大，使着微流控芯片有着强大的集成性。同时可以大量平行处理样品，具有高通量的特点，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析样品所需要的试剂量仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积甚至在纳升级或皮升级。&中国在微流控分析方面的研究虽然起步较国外晚了四到五年，但在多个相关的学科领域都具有足够的积累与优势，我国具有世界上最大的微流控芯片市场，用中国的芯片产品占领这一市场是我国科学家责无旁贷的使命。　　2015年，我国微流控芯片行业市场规模达到25.7亿元，比2014年同比增长8.2%.2015年，我国微流控芯片行业产量达到692.45万个，比2014年同比增长8.7%;需求量达到717.56万个，比2014年同比增长8.4。&近年来我国微流控芯片研究取得了突破性进展，引起产业界的极大关注。目前已涌现出一批在很大程度上具有不可替代性的关健性技术，并逐渐形成以生命科学为代表，覆盖面很宽的应用领域，例如最近发展起来的器官芯片、液滴微流控芯片。未来来几年内，如果将微流控芯片与“生物手机”、“互联网+”进一步结合，这样一个由一种新兴技术引发的可能具有全局性影响的趋势，是否能够因此诞生一批“风口”行业值得大家期待。&标签:&nbsp&nbsp&nbsp微流控芯片的前景如何？元芳，你怎么看--江苏微全芯生物科技有限公司事业部_MiTASLAB
微流控芯片的前景如何？元芳，你怎么看
微流控芯片的前景如何？
某日，某君在“知乎”抛出以下话题：
以下是收获最多“赞”的微流控方向在读博士汤明辉的答案：
国内的微流控公司其实有几个已经做得挺好，比如天津的微纳芯科技，已经在卖产品，主要做生化检测方面。还有杭州霆科生物，做食品安全方面，拿了挺大一笔投资。这些是已经做出微流控产品了的。那些本来是为科研提供服务的微流控公司也有很多正在研发自己的产品，更不要说传统的医药试剂或者医疗器械公司做出来的基于微流控产品，这个很多。三星就出过微流控的产品，你没看错，就是大家心中做手机的那个三星。
要说微流控，先说说IVD（体外诊断）医疗器械这方面。这一块市场需求特别大。
第一，美国这样的发达国家，医疗费用基本是医疗器械和医药花费五五分的，而中国大陆大约是1:9。这个数据是我2014年听一个香港中文大学医学院的一个教授讲的。所以中国医疗器械这一块潜力很大。
第二，中国人口的老龄化。中国过去几十年的高速发展离不开20世纪五六十年代的人口红利。但是，再过十多二十年，人口红利就变成了老年化的人口负担。计划生育这么多年，那个时候青壮年又少，你说说智能化的可家用的医疗器械需求大不大？
第三，现在都在说互联网医疗，那么真正的互联网医疗是不是最应该解决的问题就是智能化医疗检测终端问题。这里的终端不止POCT吧？医院里能做的血液的生化分析类检测的也很需要吧（比如微纳芯科技的产品）？你说说，这一块微流控是不是大有可为？
第四，中国人民终于进入了小康社会，温饱解决了肯定要关心生活质量吧？那么健康这一块，大家是不是注定要花费更多心思了？然而，IVD的医疗设备，目前来看，很大一部分都是基于微流控的。
IVD最典型的代表莫过于验孕纸，HIV检测试纸，毒品检测试纸等等，这些市场上都有的（还有乙肝、肺结核等各种传染病的检测，这些主要在医院做的检测，原理差不多，据学医的同学讲，医院内传染病的初步检测好多也是试纸）。这也是微流控产品-纸上微流控（层析免疫），对不对？这些产品在基层做初步诊断筛查是非常有用的。实际上大家也确实都这么用的。如果初步筛查得到阳性的结果，再用其他费用高昂、更精准的方法确诊。这一块就大有可为，包括早期癌症的筛查。
基于微流控人体体液的生化分析也特别适合目前大火的互联网医疗。智能检测或诊断的医疗器械终端（家用）和互联网目前最火的大数据的结合未来也必然是个大热点，毕竟没有这边的终端，就没有数据。纯芯片微流控做生化免疫的，可以参见biosurfit。
基于免疫的诊断也有问题，这些都是基于抗原抗体特异性（ELISA ，FIA，化学发光等）结合那一套，当体内抗体水平过低时会有误诊的。那么最可靠的POCT（也就是上面提到的更贵更精准方法）是怎么样的呢？当然是基于DNA的分子诊断，DNA提取再扩增，有这个细菌或者病毒就一定有它的DNA，对不对？这一块微流控也大有可为。
在治疗传染病的时候，如何确定已经痊愈了？基于DNA的分子诊断。治疗末期的时候病毒或细菌数目减少，抗体也会少，基于免疫的可能会靠不住（跟很多传染病的检测都有窗口期是一个道理）。所以很多人看中微流控的分子诊断这一块。
有多火？AtlasGenetics，这个英国公司，做了一款产品，集成了基于微流控全自动的DNA提取和PCR，还有后面的电化学检测，产品还没怎么卖，万孚就入股成第二大股东了，对其估值将近十个亿人民币。当然，POCT分子诊断门槛确实也高，简单来说，市场上一个PCR 仪器经常就卖到了十万（当然，现在也流行用恒温的比如LAMP的扩增技术代替PCR，虽然成本低了，但是精度也低了），更别说前面的全自动的核酸提取和后期的荧光检测。不过，请放心，POCT 全自动的分子诊断设备一定是可以做出来的，成本也会控制得不太高（本来也没多大的成本，技术要求比较高而已）。且不说分子诊断，就是基因测序芯片，现在华大、博奥等做得也很火。
另外，微流控在传染性疾病或者POCT设备，传统的人体体液（血液唾液尿液等）的生化分析，抗生素滥用导致的超级细菌问题，ICU细菌感染的高发问题，制药等等领域，微流控都将大有所为。它可以做成一个智能简单的医疗设备，也可以为一些难题提供一套好的解决方案，特别是制药方面。
那些觉得微流控是搞科研的一个手段的，你们说得也有道理，目前来看，微流控作为一个工具用在科研上确实居多。这个方向也就二十几年，工业化也需要时间。但是它确实可以很好地产业化（其实国外产品挺多的，国内少而已），特别是离心微流控，市场上存在的微流控产品（无论国内还是国外）也大多数是离心微流控的产品（试纸类的除外，毕竟试纸能做的也有限）。其实也正常，不能做个智能的医疗设备出来里面还拖着几个微型水泵吧。
微流控这一块，你用这个台子做explore ，做research。ok，你就是拿来做科研。但是，请不要忽略，还有很多人，比如我这样的，工科出身（其实据2014年那个nature上关于微流的review，做微流的大部分都是工程技术人员，文章也大多发在了工程类的期刊），就是用我们的工程技术优化它，用它来使得现有的检测诊断技术更便宜，更简单，更智能。我们的目的是做成sample-to-answer的POCT的医疗设备的。
你问微流控前景怎么样，我觉得未来肯定会火，让我们拭目以待吧。
微流控典型的产品例子
这些都是基于微流控（主要是离心微流控，除了AG的IO产品和罗氏的流感病毒的基于试管的产品外，其余的产品都是离心微流控，当然，这也跟答主主要是做这一块的有关系）的诊断产品。
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微流控芯片技术的产业化前景如何？
中国科学院大连化物所林炳承教授：目前困扰科学家的一个问题是，微流控芯片系统至今为止还没有拿出一个能够让大家为之一振的“有杀伤力”的，也就是说其他手段无法替代的应用成果，国外称之为Killer Application。目前，全球许多实验室，包括我们在内的，都在为此努力的工作。我相信，Killer Application迟早是会出现的。现在在某些领域，譬如细胞培养和分析方面，微流控芯片的独到性已经有所反映。
但是，我们不能等到Killer Application出现以后再进入这一领域，一名优秀的科研工作者必须要尽可能多地参与一项研究的发展进程。如果中国科学家不能积极、主动地参与微流控芯片平台的发展过程，那么若干年后，相当一批芯片仪器就不得不从国外进口，而我们所能做的只是用买来的国外商品仪器做一些零零星星的应用工作。中国在很多高端分析仪器上吃亏，就是因为这个问题，这不能不说是我们的一个悲哀。目前，在微纳米技术领域，微流控芯片是我国和国外差距比较小的一个分支，如果能够有更多的人参与进来，特别是如果能有相关企业投入到这一领域，最终将极大推动这一平台研究的产业化进程。
中国科学院大连化物所林炳承教授:据我所知，加拿大和日本已有个别通用性实验室用产品出现，但是价格普遍昂贵。像一块简单的玻璃芯片大概要200美金，一套带UV检测的工作站要卖3万欧元左右。而且，日本的产品还不卖给中国人，只销往欧美地区。此外，安捷伦公司2004年也首次拿出了芯片LC-MS的构思，虽然还不是很成熟，但从中我们可以看到微流控芯片已经进入到了实质性的商品开发阶段。就我们实验室而言，目前我们开发的芯片和芯片工作站大体已到了准商品化阶段，香港大学已经订购了我们的一套系统。作为一家中科院的科研机构，搞产业化确实不是我们的长处，但我们也试图在这方面进行一些探索，我们最终的目标是希望广大的中国...
不得不佩服博晖杜总的眼光啊。。。
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华迈兴微：M2微型化学发光分析系统那些觉得微流控是搞科研的一个手段的，你们说的也有道理，目前来看，微流控作为一个工具用在科研上确实居多。这个方向也就二十几年，工业化也需要时间。但是它确实可以很好的产业化（其实国外产品挺多的，国内少而已）。微流控技术相比传统有很多优势，但是作为一个比较年轻的技术，其产业链相对不成熟导致成本较高。这仍然是一个问题。但是，随着产业链的完善，其优势会慢慢凸显出来，特别是在POCT和制药方面。图15. 器官芯片之肺部芯片（Lung-on-a-chip）未经授权禁止转载。16587 条评论分享收藏感谢收起