微流控技术的起源和展望

微流控技术的起源和展望

George M. Whitesides

摘要：微流控技术用在几十微米尺度的管道中操控流体。它已逐渐发展成为全新的领域，其影响延伸到化学合成、生物分析、光学、甚至信息技术。但是，微流控领域依然处在早期发展阶段。即使作为基础科学和技术示范，有些问题也必须得到解决：选择和关注最初的应用，制定循环发展的策略，也包括商业化。这些问题的解决还需要想象和创新。

什么是微流控？微流控是系统的科学技术，它使用几十到几百微米尺度的管道，处理或操控很少量的（10-9至10-18升，1立方毫米至l立方微米）流体。最初的微流控技术被用于分析。微流控为分析提供了许多有用的功能：使用非常少的样本和试剂做出高精度和高敏感度的分离和检测，费用低，分析时间短，分析设备的印记小[1]。微流控既利用了它最明显的特征——尺寸小，也利用了不太明显的微通道流体的特点，比如层流。它本质上提供了在空间和时间上集中控制分子的能力。

作为一项技术，微流控似乎好的不真实：至少在分析领域的主要应用中，它表现出太多的优点和太少的缺点。但是微流控还没有发展成为广泛使用的技术。为什么呢？为什么不是每个生物化学实验室都贴上“芯片实验室”的标签呢？为什么不是每个病人都用微流控家用检测系统监测自己的病情呢？答案还不明确。微流控的优势令人信服难以错过，我相信微流控技术将成为分子分析的主流方式，也许分子合成也是这样。话虽如此，微流控发展成为一项主流的新技术还需要时间和大环境的支持，这个问题的解答不仅对微流控领域是重要的，对那些正在努力去争取成功的新技术也同样重要。

微流控技术从四个领域发展而来：分子分析、生物防御、分子生物学和微电子学。首先来看分子分析。微流控技术最早起源于微量分析方法——气相色谱法，高压液相色谱法，以及用毛细管形式彻底革新了化学分析的毛细电泳法。这些方

法（结合光学检测中的激光技术）使得采用很小量的样本同时获得高敏感性和高分辨率成为可能。随着微量分析方法的大获成功，很明显需要把这些方法发展成为新的、更加紧凑、更加通用的形式，并为这些微尺度方法在化学和生物化学领域寻找新的应用。

发展微流控系统的第二个动力来自冷酷现实——冷战结束以后，生化武器成为主要的军事和恐怖主义威胁。为了应对这些威胁，美国国防部国防高等研究计划署（DARPA）在90年代支持了一系列项目，设计和开发可现场部署的微流控系统用作生化探测器。正是这些项目刺激了微流控领域学术研究的快速发展。

第三个推动来自分子生物学领域。80年代爆发的基因研究，以及随后出现的分子生物学相关的其它微量分析领域，例如高通量DNA测序，都要求新的分析方法具备更大的吞吐率、更高的敏感性和强大的分辨率，这些要求比先前生物学领域的预期要大得多。微流控技术提供了克服这些问题的方法。

微电子学是微流控技术发展的第四个促进。微流控领域最初希望直接使用光刻法和相关技术——它们在硅微电子学和微机电系统中大获成功。微流体系统最早的几个工作实际上确实是使用硅和玻璃，不过这些物质大部分已经被塑料取代了。为了在水中分析生物样本，用玻璃或硅制造设备通常是不必要的或不合适的。特别是硅，既昂贵又不透可见光和紫外线，因此不能和传统的光学检测法一起使用。相比刚性材料，采用弹性合成材料制造微量分析系统所需的泵和阀门等元件要更容易。玻璃和硅都缺少一些性质，难以和活体动物细胞协同工作，特别是透气性。

因此，微流控装置没有按照硅微电子器件的形式发展。微流控系统的大量探索性研究是基于聚合物——聚乙烯或PDMS——其性质完全不同于硅材料[2,3]。PDMS是透明的软弹性材料。到微流控器件最终被广泛使用时，是否还用PDMS 或某种工程塑料（如聚碳酸酯或聚烯烃）还要走着瞧。不过，新的想法很容易用PDMS测试（如气动阀门），这使得PDMS成为探索性研究和早期工程研究中的关键材料。但是，微电子技术对于微流控的发展仍然是不可或缺的。随着微流控的发展，玻璃、钢和硅再一次成为制造那些需要化学和热稳定的专用系统的材料。硅和玻璃的力学稳定性对于刚刚诞生的纳米流控也非常有用。这个领域中流体所处的管道是纳米级别的，一般小于50纳米尺度，其中刚性的管壁用途广泛[4,5]。

微流控领域注意到了快速发展的新制造方法和组件，例如作为管道使用的微通道和那些构成阀门[6,7]、混合器[8-10]和泵[11]的微结构，这些组件是在芯片上建立微化学工厂的基本单元。然而，它对科学还没有产生革命性的影响。技术上的革命既需要广泛的不同类型的组件和子系统，也需要把它们整合成完整的功能系统的方法。微流控领域处在发展的早期，仍然缺少这些基本的需求，也缺少将组件集成到可供非专业人员使用的系统。作为一个领域，它包含了无限的希望、小问题和不完全的承诺。现在正是这个领域激动人心的时刻，但是我们依然不能精确预期当它发展壮大后会是什么样子。

现状

一个微流控系统必须包括一系列的通用组件：一种导入试剂和样品的方法（很可能是流体，虽然在理想情况下可选用粉末）；多种在芯片上移动、组合和混合流体的方法；以及各种各样的装置（例如大多数微量分析用到的检测器和为化学合成系统提纯产品的组件）。到目前为止，这个领域仍然专注于演示这些组件的概念。两个特别重要的贡献是：可作为生产原型器件方法的软光刻技术在PDMS上的发展；基于软光刻技术制造气动阀门、混合器和泵的简单方法的发展。这些方法可以在很短时间内制造出原型器件，以用于测试新的想法，从设计到工作器件的典型时间少于两天，这远小于非专业人员用硅材料制造器件一般要花费一个月以上的时间。Quake气动阀门是特别重要的组件，它们使设计和检验复杂的装置成为可能，并打开了多个应用领域（Fig. 1）。Quake阀门利用了在压力作用下流体通道受到临近通道的约束，其操作依靠PDMS的弹性体特性。硅和玻璃（或刚性的工程聚合物，如聚碳酸酯）之类的刚性材料没有（也不可能）制造类似的装置。

流体在大通道中流动的物理性质和在微米级通道中有根本的差别。结合新的制造方法，微流控技术已经有能力利用这些差异[14-16]。Janasek等人描述了连接（或区分）宏观系统和微流控系统的尺度关系，特别强调了对芯片实验室装置的影响（374页）。这些差异中，最重要的是湍流（或湍流的缺席：层流）。在大尺度下，流体以对流的方式混合：例如，牛奶搅入咖啡时的混合或烟离开烟囱混

入空气。这类混合折射出的事实是，在宏观流体中，惯性经常比粘度更重要。在微系统中，用水作为流体会出现相反的情况：流体不会对流混合，他们平行的流动，没有漩涡或乱流，仅有的混合是穿过流体界面的分子扩散的结果。虽然这类被称为层流的流动需要开发特别的装置或组件，用来在需要的时候混合流体，但是在许多情况下，它也被证明是一个有利条件（也是微流控系统的一个特征）。惯性力对粘性力的比值采用雷诺数表示，雷诺数是用于研究流体的许多无量纲数中的一个。

在微系统中流动的流体还具有许多有趣和有用的特点，其中只有一部分被开发利用。一个特别有用的特点是电渗流（EOF）[17]。当离子流体（例如水）被放置在微通道中，通道的表面固定上电荷（比如二氧化硅或表面被氧化的PDMS），并沿着通道施加一个电势，流体会像塞子一样移动，而不是采用压力输送流体时的抛物线式的流动。EOF将许多压力驱动系统中出现的样品栓塞增宽问题减少到最小，允许以非常高的分辨率分离不同种类的离子。这对于在微通道中实现DNA的电泳法分离是一个关键。第二个潜在的有用特性是纳米流控技术在微通道中操控水的能力，微通道的尺度近似Debye长度。实际上，我们还不清楚这个尺度下流体的特点，纳米流控系统为了解流体物理的新现象打开了一扇窗。

当前的应用

目前，已经有了充足的制造方法和种类丰富的元件，这使得应用微流控系统解决实际问题成为可能，而不仅仅是简单的演示原理。发展最好的应用可能是用于蛋白质结晶的筛查条件（例如PH值，离子强度和成分，助溶剂和浓缩等）(Fig.2)[20-22]。这些过程有能力筛查大量的条件，将晶体的成核与生长分开，极大地减小了晶体成型后再处理所造成的损害。现在，这类技术有些已经投入商业使用。其它有实验演示的应用包括耦合了质谱分析的分离方法[23]，药品研发中的高通量筛查[24,25]，生物分析[26]，检验和操控单细胞[27,28]或单分子[29,30]组成的样品，为正电子发射断层扫描（PET）合成F-labelled有机化合物[18,31]。单分子领域的研究在Craighead的主题中讨论（387页）。

微流控系统的另一个长处是操控多相流。它有能力在连续的液体流动中产生和操控单个分散的气泡或液滴[32-37]，为生产聚合物颗粒、乳剂和泡沫提供了新的方法[38]。液滴也可以用作研究快速有机反应的隔离室。微通道内的流体可构成新的光学系统的基础——从两层低折射液体夹一层高折射率液体构成的导波管到流体在镜头和Bragg镜子中的应用，这一系列的系统都是基于微流控技术[39-44]。Psaltis、Yang和Quake详细描绘了这个区域以及他的发展潜力（381页）。

微流控系统为细胞生物学的研究带来了新的能力。Jensen等人（403页）介绍了几种看上去无疑对细胞生物学家很有用处的新工具，以及细胞生物学家希望得到的功能。真核细胞在附着和传播的时候，其线性大小约为10~100微米。当前的微流控装置正好用于这个尺度的研究。PDMS具有出色的透明度、低毒性和对氧和二氧化碳的高渗透率，有可能成为独一无二的材料，用于建造观察细胞生长的微室（Fig. 4）[45-48]。PDMS微流控系统在细胞生物学的大量研究中使用，包括细胞骨架[49]，细胞对其附着的基板施加的力[50]，细胞的容量（降到单细胞水平）[27,51]，分离活动和不动的细胞[52]，胚胎[53-55]，等等。

化学合成（尤其是有机化学和药物化学）似乎是一个天生就适合应用微流控系统的领域，但是在接受微流体结构作为新功能的发展策略方面还是落后了。（deMello讨论了微系统中化学反应的一些特点，394页）。两个因素造成了这个落后的局面。首先，微流控系统目前还不具备传统仪器的灵活性。其次，PDMS 作为微流控学术研究中最常用的物质，会在许多常见的有机溶剂中溶解或膨胀[56]。虽然硅、玻璃、钢或者除PDMS之外的聚合物既可以解决这个问题[57-60]，又允许高温高压的化学反应，但是用这些材料制造微流控装置要比采用PDMS 困难的多。采用钢铁等刚性物质制造泵和阀门需要特别的技巧，和使用PDMS 的方法完全不同。

实用微量分析系统的发展[61-65]——特别是针对生物分析——一直是快速的，尽管还没有达到预期中的广泛日常应用。部分原因是由于分析周期中的两个环节——样品制备和检测——存在技术限制。生物样本——尤其是临床样本（例如血液或粪便）——经常是稀释的或复杂的。在这些样本能够被微流控装置分析之前，它们必须被转化成分析所要求的特定形式，然后才能导入分析装置。完成这个任务的方法和样本有关，而且不必是微尺度的。在制备完成、进入分析装置

并被处理之后，接下来就要对样本进行检测。这个检测通常是采用芯片外的显微镜完成的。如果一个系统的样本导入和检测过程比芯片操作复杂得多，那么只把微流控芯片作为系统的一个小部分使用可能在某些情况下是合适的，但是这确实降低了微流控装置的潜在优势。还有一些规范问题，比如泵、阀门和芯片试剂的存储，也需要比现在更好的解决方案。

展望

微流控要想成为主流的新技术还有哪些需求必须满足呢？那些人们在微流控的构想时期所憧憬的希望会实现吗？微流控技术还没有实现它早期宣称的功能，这个实际情况并不令人吃惊。微流控发展到目前水平既符合新技术的发展特点，也提示我们下一步要集中在哪些工作领域。

引进新技术时的一般问题

微流控最初是希望发展成为一种实用技术，能够在众多不同应用中被广泛的使用，这一点仍然是我们当中的许多人在这个领域工作的动力。我有信心这个希望会最终实现，但是和其它的新技术一样，必须先期解决几个问题。首先，它必须在商用方面取得成功，而不只是停留在以概念演示和学术论文为基础的圈子里。微流控系统造成的影响只有当人们都在用的时候才会变得明朗，这和激光、NMR（核磁共振）光谱仪以及扫描探针显微镜的发展是一样的。微流控技术必须能够为流体物理或纳米光刻专家以外的人解决问题，这些人可以使临床医生、细胞生物学家、警官或公共健康官员。为了这些应用，科研团体必须承担起重任——把合适的系统变得到处可用而且廉价。

和那些正在从大学实验室转变到工业化的技术一样，“谁拥有所有权？”的问题，即知识产权，必须得到解决。对于价值很高的技术，例如生物制药和信息处理系统，知识产权问题通常采用专利协商、预付款或股权等形式解决。然而，最有趣的微流控应用是那些需求量大、价格低廉的应用，例如公共健康监视和环境监视中的装置，以及用于发展中地区医疗系统的设备。在这些领域中，大学和工业届对技术估值的历史差异会成为一个严重问题：如果大学对一项发明的要价

太高，那么工业界在把它发展成为商用技术时就会无利可图。

还有被称为“第一个用户溢价”的问题。在引进新技术时，第一个商用用户会支付过多的开发成本，并承担过多的开发风险。如果这个应用是非常吸引人的，如果它具有很高的潜在价值（杀手级应用），那么这些费用和风险就更容易被接受。虽然生物研究的市场正在发展起来，但是微流控的杀手级应用还没有出现。

高价值的应用

理论上讲，微流控系统中有一些高价值的应用，但是开发这些应用需要微流控和生物医药两方面的创新——一次做两件事情总是很困难的。开发新的生物测定方法用于监控病人的治疗效果就是一项高价值的应用；开发新的测试方法用于家庭检测或在疾病的早期阶段用在医生办公室中是另一项高价值应用。两者都似是而非的在生物制药领域发展，但是都要深入理解已经高度发展的疾病生物标记技术和微流控系统。将来，保健行业几乎肯定会从疾病治疗中脱离出来。这个可预见的保健行业需要广泛的、敏感的、经常的筛查和检测。微流控系统看上去是这些检测最合适采用的技术。

制药业的工具

制药工业的技术复杂而精细，理论上讲，它们也有能力采用复杂而精细的新技术。工业界也正经历着生产能力的危机，极其需要新工具来引导新药品的开发，特别是从动物和细胞的表现预测潜在的新药在人体中的效果。微流控在生物制药中的用于一些分析系统似乎是直截了当的（例如，用分析系统监控和优化抗体药物等蛋白质药物的生产）。其它的（例如基于原代细胞的实验能够预言人体临床试验的表现）应用技术上更复杂，但至少在一些实例中是可行的。在这两种应用中，试验必须用高可再生的、容易操控的方式对微系统打包（几乎肯定是微流控系统），而且打包方式要能够被技术员熟练地运用。

研究

新技术的引入和发展经常会得到一些推动，这些推动来自于那些对作用巨大、成本不敏感的用途的研究：用于处理和分析DNA和RNA的设备是最近的例证。为基因组学、蛋白质组学和代谢组学发展新的微流控工具正在实验室里快速进行，并且会刺激大范围的成果产出。

大容量微分析工具

在微流控系统种最有趣和最重要的潜在应用正是它的最初目标：生物医学和相关应用，这些应用需要小剂量的样品、未经训练的人员就能掌握的常规操作和低成本（Fig. 5）。大量的这类应用具有一个吸引人的共性，而且适合分析的数量可能是巨大的（每年几亿次的检测）。这组应用会包括发展中地区医疗保健的投递和监控，发达地区的家庭医疗保健和用在医生办公室内，用于国土安全和反恐，用于第一响应（警察，医务人员和消防部门），以及食品安全监控。用于发展中地区的诊断系统要求低成本、适应性强的微流控技术，Yager等人介绍了这个快速发展的领域（412页）。

这些应用也遭受着“先有鸡还是先有蛋”的困扰：如果分析的成本很低而且检验的发展状态很高，使用量一定会很大；如果使用量很大，成本就一定会很低。

新的科学和技术

微流控技术的发展才刚开始。许多因素表明微系统的许多早期应用都含有流体，包括流体光学和细胞的探测，微通道系统中新型有机合成的发展，基于大阵列探测器和高通量筛查技术的持续发展，使用液压系统基于微流控技术制造机器人系统，使用流体的微电子机械系统，以及带有微流控组件的仿生系统的产品。将微流控系统扩展为纳米流控，其中通道的尺寸和壁面附近结构化流体层的厚度相仿。这使探测表面附近水的性质以及离子和电解质的在这个界面上的传输成为可能。PDMS的生物兼容性表明，在某些类型的生物医药相关分析中，把微流控系统嵌入活体最终是可以实现的。单细胞和单分子分析要求技术可以使用小剂量的样品，可用来检验细胞生物学、分子化学和分子生物学的基本假设。

微流控装置的设计和制造

微流控商业化的一个重要方面是微流控制造技术的发展。最终，可能会存在多种制造技术，但是在微流控发展的早期阶段，确定一组材料和过程用于将实验演示转换到商用设备是重要的一步。应该使用聚脂薄膜、PDMS或聚碳酸酯发展微流控装置吗？处理巨大量的技术有多重要？密封和打包技术发展的怎么样？

结论

那么，微流控带来的是什么呢？微流控即是科学也是技术。它给未来提供了新的强大的功能——甚至是革命性的。它还只是个初生儿，在超越“学术研究的活跃领域”之前还有大量的工作需要完成。然而，这个领域的基础非常牢固：世界上大量的技术需要操控流体，当探索和利用新的微尺度流体现象时，将这些操控技术扩展到小尺度并配合精确的动态浓度控制肯定是非常重要的。

（译于2015年9月3日，即抗日战争胜利70周年纪念日，闻炳海）