微流控技术的起源和展望

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1、微流控技术的起源和展望GeorgeM.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-9-18道，处理或操控很少量的（10至10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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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