微流控晶元，化學和生物醫學檢測的「下一場革命」

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應科學技術發展的需要，微流體在近幾年也迅猛的發展。微流體是具有微尺度（幾十到幾百微米）集成通道系統的科學和技術。在其中，微量的液體（通常為10-9至10-18升）在系統的控制下進行特定模式的流動。聽著如此黑科技的微流體的發展其實可以追溯到數十年前，生物化學分析的微量化和平面化要求是微流體發展很好的推動力。自那時起，「晶元實驗室」和微尺度全面分析系統（μTAS）的概念就被逐步建立了起來。

在微流體的世界中，隨著流體尺寸的縮小，其比表面積逐漸增加，這就使得其呈現和宏觀流體不同的特性。總結起來，微流體主要有三個特點：高效質量傳熱，粘性對慣性力的相對優勢，以及顯著的表面效應。除此之外，高集成度的微流體系統有助於多個流體相的共存，並發生多樣的相互作用。這些特徵使得使用小型化設備控制和操縱單個流體以及流體界面成為可能，也使得微流體在包括物理，化學，生物，醫藥，以及工程的多個領域受到追捧。

今天，小編在這裡想要和大家重點討論一下微流體技術對於生物化學的革命性影響。微流體在生物化學領域的影響可謂十分廣泛，其涉足了酶分析，DNA分析（例如聚合酶鏈反應和高通量測序），以及蛋白質組學分析等多個方面。微流體生物晶元的基本思想是將檢測操作，樣品預處理，以及樣品的製備整合到一個晶元上，使其具有高通量的特性。這樣的生物晶元也可以在臨床病理學，特別是疾病的直接診斷中，起到重要的作用。此外，基於微流體的設備，比如能對空氣或水樣進行連續採樣，以及實時檢測的設備，可以用於生物化學毒素以及致病微生物的檢測。除了上述的檢測手段以外，微流控技術已經為生物學家提供了強大的工具來研究和控制完整的細胞環境，在細胞生長，衰老等多個方面成為了促進新發現的「神助攻」。下面，我們就來舉幾個具體的例子，看看微流體是怎麼履行自己的職責的。

在生物分析方面，微流體在離子，小分子，生物大分子，如核酸和蛋白質，的檢測方面都能發光發熱，也為此引發了很多標準生物分子技術的革命。其為聚合酶鏈反應（PCR），逆轉錄PCR（RT-PCR），酶聯免疫吸附測定（ELISA）等提供了全新的技術平台。此外，液滴微流體，微流體的一種，已經能夠成功地進行細胞水平的分析，很多經典的細胞操作都可以在微液滴中進行。

以往提到化學反應，眼前浮現的就是那些怎麼刷也刷不幹凈的瓶瓶罐罐。但是現在，微流控的液滴就能作為一個小型的化學反應器存在，並且研究人員能做到對其環境的精確控制。其已經被應用到多種反應中去了，包括滴定，沉澱，水解等等。抗凝血藥物阿加曲班的液滴微流體平台就是一個極好的例子。其使得研究人員能夠在一個晶元上面，通過部分促凝血酶原激酶活化時間來測量凝血時間，並藉此確定阿加曲班的適當劑量。除了水相的反應，液滴微流體也支持有機相的反應。但是，此時，製造儀器所用的材料就需要精挑細選了，免得有機溶劑的腐蝕造成通道的變形。硫羥基聚合物就是一個不錯的選擇，其具有比PDMS材料更強的有機穩定性。

當然，除了小分子，利用微流體進行生物大分子的分析也是不在話下。現在的微流體技術已經被比較成熟地運用於DNA，RNA，以及蛋白質的分析領域，其甚至可以幫助蛋白質的結晶。

除了分子層面的分析，微流體也可以幫助研究人員直接進行細胞層面的操作。細胞包埋，組織培養，細胞凍存，復甦，裂解等等都已經是家常便飯，不足掛齒。讓小編大開眼界的是，微流體甚至可以幫助細胞的基因傳遞。

基因傳遞是將外源基因引入宿主細胞的常用手段，其能夠調節宿主基因的表達，甚至能夠作為基因治療的主要步驟。基因傳遞可以分為轉染，轉化和轉導三類。研究人員曾經報導，利用質粒將增強型綠色熒光蛋白（EGFP）DNA轉染進入中國倉鼠卵巢（CHO）細胞。其利用電穿孔在微流體液滴上打孔，破壞細胞膜，並引入質粒DNA。首先，研究人員將細胞和質粒DNA封裝進入絕緣油滴中的導電緩衝液液滴中。而後，液滴通過兩個微電極，電極之間施加電壓，並將細胞穿孔。後續的驗證實驗也證明了細胞中確實出現了EGFP的信號，證明細胞轉染成功。

除了細胞的轉染，細菌的轉化也是微流體大展身手的領域。研究人員曾經利用微流控液滴達成了大腸桿菌的熱休克轉化。含有大腸桿菌和質粒DNA混合物的液滴在冰浴PDMS通道中產生。而後研究人員將液滴收集到玻璃毛細管中，之後玻璃毛細管被放置在42℃的循環溫水中，熱休克轉化就此發生。研究人員表示，轉化效率和傳統途徑相當。

噬菌體對於宿主大腸桿菌的侵染也可以通過微流體來實現，該技術適合進行噬菌體文庫侵染大腸桿菌後的表型觀察實驗。

由於近幾年越來越深入的理論研究和技術創新，微流體被應用到了極其廣泛的領域，包括物理，化學，生物，醫療和工程，其運用價值也日益得到肯定。 儘管已經有了這麼多令人興奮和引人注目的發展，但是我們在微流體領域仍然面臨著挑戰，主要體現在理論研究概念和解決現實世界問題的實際技術之間的轉化。因此，在未來，我們仍然應該將精力放在基礎研究上面，推動領域的發展，但是同時也要注重微流體技術的運用，尤其是在高通量領域的運用。發現發展新的材料，幫助微流體領域的發展和應用。在這些方面，中國的研究人員們也已經做出了很多優秀的貢獻。

原始出處：

1.Shang, L., Cheng, Y. & Zhao, Y. Emerging Droplet Microfluidics. Chem. Rev. 117, 7964–8040 (2017).

2.Caen, O., Lu, H., Nizard, P. & Taly, V. Microfluidics as a Strategic Player to Decipher Single-Cell Omics? Trends Biotechnol. 35, 713–727 (2017).

3.Ma, S., Murphy, T. W. & Lu, C. Microfluidics for genome-wide studies involving next generation sequencing. Biomicrofluidics 11, 1–24 (2017).

4.Liu, Y. & Jiang, X. Why microfluidics? Merits and trends in chemical synthesis. Lab Chip (2017). doi:10.1039/C7LC00627F

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