微流控
微流控 (Microfluidics) 是一门精确操纵和控制微小体积流体（通常为 $10^{-9}$ 至 $10^{-18}$ 升）的科学与技术。它在微米级尺度的通道网络中，利用流体在微观下特有的物理性质（如 层流 效应、表面张力、毛细作用），实现样品的制备、反应、分离和检测。微流控芯片常被称为“芯片实验室” (Lab-on-a-Chip, LOC)，其核心优势在于将传统生化实验室的功能集成到一块硬币大小的芯片上，具有极低的试剂消耗、极高的反应速度和高通量并行处理能力，是 下一代测序 (NGS)、单细胞分析 及 即时检测 (POCT) 的底层技术基石。
物理原理：微观世界的独特流体行为
当尺度缩小到微米级别时，流体的行为与宏观世界截然不同，惯性力变得微不足道，而粘性力占据主导：
- 层流 (Laminar Flow)： 由于 雷诺数 (Re) 极低（通常 << 100），流体在微通道内呈平行分层流动，互不混合。这意味着物质交换主要依赖缓慢的 分子扩散，这使得对反应时间和位置的控制可以精确到微秒和微米级。
- 表面效应： 比表面积急剧增大，使得表面张力和毛细作用成为驱动流体运动的重要力量（如在纸基微流控中）。
- 液滴生成： 利用两种不相溶流体（如油和水）的剪切力，可以生成数百万个单分散的微液滴，每个液滴都是一个独立的微反应器（如 微滴数字PCR）。
应用领域：改变生物医学的格局
| 技术分支 | 核心功能 | 颠覆性影响 |
|---|---|---|
| 器官芯片 (Organ-on-a-Chip) | 在芯片上构建模拟人体器官（如肺、肝、血脑屏障）生理微环境的 3D 细胞培养模型。 | 替代动物模型进行药物筛选，显著降低新药研发的失败率和成本。 |
| 液滴微流控 (Droplet Microfluidics) | 超高通量的单细胞或单分子封装与分选。 | 实现了 单细胞测序 的规模化，推动了对肿瘤异质性的深度解析。 |
| 即时检测 (POCT) | 集成“样本进-结果出”的全自动核酸或免疫检测流程。 | 使复杂的分子诊断（如 COVID-19 核酸检测）走出中心实验室，进入社区和家庭。 |
常用材料：从实验室到商业化
微流控芯片的材料选择决定了其制造工艺和应用场景：
- PDMS (聚二甲基硅氧烷)： 实验室科研的首选。透气性好（利于细胞培养）、透明、易于通过软光刻快速成型，但不适合大规模工业生产。
- 硬质塑料 (PMMA/COC)： 商业化 IVD 产品的首选。成本低、机械强度高、易于注塑量产，但表面疏水性处理较复杂。
- 玻璃/石英： 具有极佳的光学性能和耐化学腐蚀性，常用于需要高分辨率显微成像或强溶剂反应的场景，但加工成本极高。
关键相关概念
学术参考文献与权威点评 [Academic Review]
[1] Whitesides GM. (2006). The origins and the future of microfluidics. Nature. 442(7101):368-373.
[权威点评]：微流控领域的“圣经”级综述，George Whitesides 深刻阐述了微流控的物理本质、材料选择以及改变生物学的潜力。
[2] Sackmann EK, Fulton AL, Beebe DJ. (2014). The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507(7491):181-189.
[学术点评]：重点讨论了微流控技术如何从工程实验室走向生物医学应用，特别是在细胞生物学和诊断学中的实际价值。
[3] Huh D, et al. (2010). Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 328(5986):1662-1668.
[学术点评]：Wyss 研究所的标志性工作，成功构建了会“呼吸”的肺芯片，开启了器官芯片替代动物实验的新纪元。