第九节 微流控芯片
从1990年Manz等首次提出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，其中的微流控芯片技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在生物、化学、医药等领域都发挥了巨大的作用，成为科学家手中流动的“芯”。
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。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），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。微流控芯片具有体积轻巧、使用样品及试剂量少、反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点，在生物、化学、医学等领域有巨大潜力，近年来已发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
一、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应用在微流控芯片中，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。
二、微流控芯片的发展
微全分析系统的概念在1990年首次由瑞士的Manz与Widmer提出，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，而并未明确其外形特征。次年，Manz等即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动。微全分析系统是当前的发展前沿。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。
三、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，令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、物耗少，污染小，分析样品所需要的试剂量仅几微升至几十微升，被分析的物质体积甚至在纳升级或皮升级。
微流控芯片的集成化和便携化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、生物试剂检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。
四、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、抗药性、致病性、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。
人口老龄化加速加之国内技术突破，我国体外诊断市场将保持持续快速发展。由于计划生育政策的影响以及经济发展水平提高后生育率的下滑，我国人口结构正逐步进入老龄化社会。45岁以后人类即进入慢性病高发的阶段，而众多慢性病的诊断均需要体外诊断试剂。2016年我国45岁以上人口数量已达5.36亿，占比达38.22%，并且占比仍在提升。据联合国预测，我国45岁以上人口占比在2040年前都将处于持续快速上升之中。人口老龄化叠加经济发展水平的提升带来卫生费用支出的快速增长，为体外诊断的发展打下了良好基础。目前我国体外诊断行业仍以海外巨头为主，国内体外诊断企业体量仍旧较小。但随着近几年国内体外诊断行业的快速发展以及国内部分企业在技术上开始取得突破，部分体外诊断企业开始依赖国内庞大的市场需求而崛起。近年来，体外诊断的A股上市公司逐年增加：2012年开始，体外诊断中部分在生化诊断领域取得突破的企业实现了上市；2015年开始，部分在免疫诊断领域取得突破的企业也相继上市；2017年在高端免疫领域取得技术突破以及在分子诊断领域有技术优势的企业纷纷上市。虽然我国体外诊断行业过去几年已经取得了快速发展，行业规模从2009年的108亿元增长到了2016年的369亿元，年均复合增长率高达16.6%。但是，目前我国体外诊断人均年消费金额仅3美元，相较于发达国家人均年消费30美元的水平还有巨大的增长潜力。未来随着人口老龄化的加剧，人均医疗费用支出的增长以及技术的进步，我国体外诊断行业未来5年都有望保持持续快速发展。
2011年开始我国密集出台了一系列支持体外诊断行业发展的产业政策，尤其支持国产化的试剂和仪器来实现进口替代。我国体外诊断行业以产业链核心的中游诊断试剂和仪器为主，目前试剂的国产化进程快于仪器。生化、免疫、分子等各个诊断领域的试剂均在一定程度上实现了国产化，仅在部分高端领域国产化率还较低。但从仪器来看，仅部分中低端的生化、免疫和分子诊断仪器实现了国产化，高端的仪器大多都依赖进口，整体国产化率还很低。鼓励进口替代、医保控费、分级诊疗等政策的落实都将支持国内体外诊断企业的发展。未来随着国内庞大的潜在市场需求的释放，行业将继续保持快速发展，叠加产业政策助力国产化和国内企业的技术突破。
（梁 辰 颜光涛）