微流控技術能夠進行精準的單細胞測序，為惡性腫瘤早篩提供關鍵的技術支撐。癌癥早期，病人血液中會有變異細胞，但數量極少， 100萬個細胞里可能只有10多個癌細胞。微流控技術可以通過單細胞測序，精準地標記異常細胞，幫助確診早期癌癥。

從技術上說，單細胞測序較普遍的兩條路線，一種是微孔法，即微孔板技術平臺利用大量的微孔完成細胞的捕獲，隨后進行單細胞轉錄組文庫構建。另一種則是基于微流控技術的液滴法，基于流體力學原理實現(xiàn)細胞分選，適用于高通量、大規(guī)模的單細胞研究。

微流控兩大優(yōu)勢：精準控制和快速混合

微流控 ( microfluidics ) 是一種以在微納米尺度空間中對流體進行精確操控為主要特征的科學技術，具有將生物、化學等實驗室的基本功能諸如樣品制備、反應、分離和檢測等微縮到一個幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成，是一個涉及了工程學、物理學、化學、微加工和生物工程等領域的交叉學科技術。

 精確控制：在微尺度上設計液滴形態(tài)

液滴微流控技術是在微尺度下利用連續(xù)相的流體剪切力來破壞離散相的表面張力，將離散相分割成納升級甚至皮升級液滴的一種技術。作為一種在封閉的微通道網絡中產生和操控微小體積液滴的科學與技術，液滴微流控 ( droplet-based microfluidics ) 具有如下優(yōu)點：

一是重現(xiàn)性好：每個微液滴都是一個單獨的反應單元，極大增強了液滴中樣品的抗干擾性，不易發(fā)生交叉污染，因而在一定程度上提高了檢測分析的重現(xiàn)性；

二是混合速度快：在微通道尺寸小至微米級時，通道內的連續(xù)流體將呈層流狀態(tài)，難以實現(xiàn)快速混勻，但液滴卻能在蜿蜒的通道中實現(xiàn)快速混勻；

三是樣品與試劑的消耗量少：液滴的體積通?？蛇_到納升或皮升級別，在保證樣品濃度不變的情況下，其不用像連續(xù)流那樣需要使樣品或試劑充滿整個通道而造成浪費；

四是易于精確操控：通道內液滴的運輸、融合、分裂等都能通過程序進行精確控制。

快速混合：納米級工程粒子形態(tài)

當流體的特征尺度不同時，流動特性往往會發(fā)生很大變化。在宏觀尺度上，流體內部易產生混沌無規(guī)的湍流；在微觀尺度上，流體流動則以層流為主，其流動特性可用連續(xù)性動力學理論進行預測；在納米尺度上，納米通道的特征尺度趨近于分子間相互作用力的力程，從而引發(fā)了許多獨特的流體現(xiàn)象。

多尺度流控體系中流體的物理特性

毫流控、微流控和納流控分別指通道的特征長度處于 1 mm - 10 mm 、 100 nm - 1 mm 和小于 100 nm 范圍的流體體系。一般情況下，水在毫流控、微流控和納米流控通道中流體本質上均處于層流狀態(tài)。在毫流控和微流控中，流體運動主要受到其內部的粘滯力和慣性力，界面上的界面張力和毛細作用力的影響。

而在納米通道中，通道尺寸小于 100 nm （納米），由于與分子尺寸相當，分子間相互作用力如靜電力、范德華力、水合作用力和空間排斥力等則起到主導作用。了解通道中流體運動和受力情況，對流體的精確控制和流控器件的結構功能設計等具有至關重要的作用。

流控器件的制備技術和應用場景

得益于微納加工技術的發(fā)展和各種新型制備技術的誕生，目前流控器件的制備在分辨率、成本和高通量制造等方面得到極大改善。

微型流控器件的主要構件，如通道、過濾器、閥門、攪拌器和泵浦等，可作為標準模塊集成到單個芯片上，精巧度和便攜性大大提高，也為流控器件的靈活設計和應用推廣提供了廣闊的空間 。

尺度大小決定制備方法

根據器件的尺度不同，流控體系的制備技術也不盡相同，如針對毫流控和微流控器件制備方法主要分為增材和非增材制造技術，針對納流控器件制備主要為自上而下和自下而上方法等。

最初的微流控技術被用于分析。微流控為分析提供了許多有用的功能：使用非常少的樣本和試劑做出高精度和高敏感度的分離和檢測，費用低，分析時間短，分析設備的印記小。微流控既利用了它最明顯的特征 —— 尺寸小，也利用了不太明顯的微通道流體的特點，比如層流。它本質上提供了在空間和時間上集中控制分子的能力。

由于毫流控、微流控和納流控通道中流體特性差異，它們的應用和發(fā)展也呈現(xiàn)出不同的趨勢。毫流控器件的毫米級通道對堵塞和污垢的敏感性較低，有助于工業(yè)規(guī)模化生產。

毫流控在合成效率和產品質量之間提供了良好的平衡，彌補了實驗室合成和工業(yè)生產之間的差距。通過連續(xù)式反應流或離散式液滴反應器，可實現(xiàn)通道內物質的實時檢測和參數優(yōu)化，用于納米材料的優(yōu)質制造和高通量藥物篩選等。

當下，毫流控研究主要致力于將多通道投料、實時檢測、自動控制和高通量等生產特征整合，通過精細化網絡結構設計，搭建多功能自反饋平臺，以滿足實際生產需求，實現(xiàn)產物的優(yōu)質多樣性制造。微流控由于其優(yōu)異的微米級流體操縱能力，已被廣泛應用于材料科學、化學、細胞生物學和醫(yī)學等多個學科。隨著技術的不斷發(fā)展，微流控器件為基礎科學、創(chuàng)新技術和新應用提供了廣闊的平臺。

主動式和被動式策略

目前提高流體混合速率的策略主要分為被動式和主動式。被動式混合是通過設計具有特定幾何形狀的流體通道，觸發(fā)局域混沌湍流以加速混合，如之字形、漩渦構型、分支結構和蜿蜒形。

主動式混合則是在微流器件中引入外源驅動微混合器，如壓電混合器、電動混合器和磁力驅動混合器等。微流控器件作為“乳液設計器”可將不互溶液體混合，在液滴生成和構建多級乳液方面具有獨特優(yōu)勢，可制備包括雙乳、三乳和四乳等體積和核液滴數量精準可調的多級乳液結構。

另外，微通道每個液滴可作為單個細胞的理想容器，為單細胞分析提供強大平臺。通過引入介電泳、磁力、光力和聲波等，可實現(xiàn)目標粒子或細胞的高效分選。當集成液滴生成、合并、混合、細胞孵育和觀測等多個模塊時，可用于細胞毒性等高通量篩查。通過進一步構建仿生器官微流芯片，還可還原人體內組織或器官的微結構和微環(huán)境，成功再現(xiàn)器官水平的代謝和免疫反應，用于臨床精準醫(yī)療。

流控技術的應用場景

在日常生活中，微流控即時檢測 ( POCTs ) 裝置憑借其成本低廉、靈敏度高、便攜性強、檢測快速等優(yōu)勢，廣泛應用于公共健康檢測，如 HIV 診斷、血液分析和血糖監(jiān)測等。在當前冠狀病毒病 COVID-19 大流行的診斷， POCTs 同樣發(fā)揮著重要的作用。納流控的快速發(fā)展得益于納米制造技術的發(fā)展和新型納米材料的發(fā)現(xiàn)，如碳納米管、氮化硼、石墨烯、 MoS2 和 MXenes 等 。

納流控處于納米特征尺度上，主要由分子間的作用力主導，這也賦予了它極具價值的應用前景，如海水淡化、能量收集、單分子分析和納米流體二極管和仿生神傳導經系統(tǒng)等，以及新奇豐富的微觀流體現(xiàn)象。

例如當水通過半徑為 15~50 nm 的碳納米管時，實測水流速率比連續(xù)動力學模型推算的預測值高出 4~5 個數量級，一個可能解釋是其無摩擦的通道表面導致了超快水傳輸現(xiàn)象的產生。然而，納米通道中超快水輸運等現(xiàn)象的潛在機制尚無定論，有待實驗和模擬的進一步揭示。

現(xiàn)今，微流控技術在很多交叉學科領域得到了較為廣泛應用，研究方向包括體外實時診斷、器官芯片、細胞操控芯片、分子生物學應用、食品安全檢測等，部分研究已經實現(xiàn)了產業(yè)化。

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