在傳統(tǒng)實驗室中，一系列可用的技術(shù)使科學家能夠?qū)毎M行遺傳工程化研究，確定其機械特性、分析遺傳差異。通過標準設備和試劑盒通常需要相當大的人力和成本。到目前為止，進行實驗意味著使用來自已建立的制藥和生物技術(shù)公司的昂貴的標準儀器。例如，人們可以開始他們的一天準備10 L培養(yǎng)基在大型恒化器中培養(yǎng)微生物;使用DNA提取試劑盒裂解細胞，進行多輪離心; DNA純化;使用臺式實時聚合酶鏈式擴增（rt-PCR）機器進行擴增和目標檢測。如果一個標準實驗室只有載玻片的尺寸能夠完成從細胞培養(yǎng)到突變鑒定的步驟，只需一半的時間和一半的成本？

微流控生物芯片

微流控技術(shù)就是一種這在減少傳統(tǒng)實驗室檢測時間和成本方面顯示出巨大的潛力。 簡而言之，微流控是控制數(shù)十至數(shù)百微米范圍內(nèi)的通道中的流體。 由于處理流體的規(guī)模較小，所以流動通常是層流（雷諾數(shù)<100）并且可以非常精確地控制。 鑒于大多數(shù)生物樣品含有數(shù)千至數(shù)百萬個要分析的細胞，并且可能難以收集，因此微流體特別適用于生物學工作，因為它只允許少量樣品進行高通量處理。

使用微流控技術(shù)的芯片實驗室（LOC）的想法是研究原理集成到納米到微米級的單個微型器件中。然而，值得注意的是，微流體的想法并不是最近的。自20世紀50年代以來，微通道中的流體操作一直存在。然而，該領(lǐng)域圍繞使用集成電路技術(shù)制造的器件集中在硅襯底上，同時利用電滲流來操縱其目標。隨著90年代軟材料和先進制造技術(shù)的出現(xiàn)，微流體在生物學家和工程師中廣泛流行。從基于細胞的檢測，基因組學，蛋白質(zhì)組學，轉(zhuǎn)錄組學甚至藥物發(fā)現(xiàn)，微流體已經(jīng)在生物科學的許多學科中分支出來。微流控技術(shù)可以進一步分為兩類，采用主動分選或被動（無標記）分選方法來控制目標。隨著微流體技術(shù)的進步，對單個細胞的分析成為可能。

1.單細胞的需求

在許多科學研究中，海量數(shù)據(jù)通常用作解釋結(jié)果的表示法。然而，這種技術(shù)的主要缺點是種群內(nèi)可能存在異質(zhì)性。一個充分研究的例子是轉(zhuǎn)移性癌癥患者血液中存在的循環(huán)腫瘤細胞（CTC）。 CTC是從原發(fā)腫瘤向血流中傳播以開始轉(zhuǎn)移過程的腫瘤細胞。雖然大多數(shù)循環(huán)中的腫瘤細胞無法在敵對的免疫環(huán)境和血管中的高剪切下存活，但是一些CTC成功地在遠處形成移動并建立轉(zhuǎn)移病灶。盡管可以使用液體活組織檢查（一種非侵入性技術(shù)）獲得全血，但極低數(shù)量的CTC（1-10 / mL）意味著從全血中獲取平均值可能會得出偏向于野生型讀數(shù)的結(jié)果，例如白血細胞。而且，由于這些細胞的數(shù)量很少，遺傳信息也可能被掩蓋。微流體技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了CTC的分離和分離。通過這種方式，可以在單個細胞水平上進行基因組分析，這可以揭示關(guān)于癌癥患者突變狀態(tài)的關(guān)鍵信息。這將允許臨床醫(yī)生個性化治療并提高這些患者的生存率。

Figure 1. 微流控單細胞分離裝置. Image adapted and reproduced with permission from Yeo et al., Sci. Rep. 6, 22076 (2016). Copyright Nature Publishing Group.

2.便攜性

在發(fā)展中國家，傳染病是人民和經(jīng)濟發(fā)展的普遍問題。 由于缺乏設備完善的診斷實驗室，這種情況更加惡化。 分子檢測如酶聯(lián)免疫吸附試驗，蛋白質(zhì)印跡和PCR等通常需要熟練的技術(shù)人員和幾個小時的加工。 因此，一個可能的解決方案是提供便攜式即時護理（POC）設備，以提供快速檢測。 特別是，一種涉及使用紙微流體技術(shù)的新興技術(shù)已經(jīng)顯示出以最少的步驟檢測HIV等病原體的希望。 紙基微流控技術(shù)也已在該領(lǐng)域成功部署，用于檢測埃博拉病毒。 制造成本低，功能多樣，微流體設備體積小，適用于POC診斷。 特別是，紙微流體消除了實驗室和龐大的設備來執(zhí)行這些測試。

在全球范圍內(nèi)，實驗室正在推動工程和生物學的界限。 除了其明顯的便攜式尺寸外，微流體的其他優(yōu)勢如下：

操縱的靈活性

較低的試劑

經(jīng)濟可承受性

實時監(jiān)控

流體動力學中還有其他許多物理現(xiàn)象。 除了基于紙張的方法之外，還有以下常用的方法：

液滴微流控

數(shù)字微流控

傳感器微流體

光流控

隨著各國從基礎研究向平移研究過渡，跨越不同專業(yè)知識的整合與合作是關(guān)鍵。 盡管如此，盡管與微流控相關(guān)的出版物數(shù)量不斷增加，但很少有設備最終被商業(yè)化。 一個迫切需要解決的問題是需要通過鼓勵有抱負的科學家與行業(yè)和臨床醫(yī)生合作，確定市場需求并通過開發(fā)商業(yè)用途設備來進一步推進短期研究項目。

微流體研究的多樣性可以產(chǎn)生更好的想法，競爭可能會推動突破性項目。 與傳統(tǒng)的實驗室工作臺設備相比，微流體中可見的更高通量意味著在更短的時間內(nèi)獲得結(jié)果，并具有更高的空間和時間分辨率。 隨著微流體技術(shù)的進步，我們正在朝著一種微創(chuàng)工具進行癌癥評估，并在資源有限的地區(qū)檢測病原體。 希望在不久的將來，我們將開發(fā)一種POC設備，可以從舒適的家中提供快速的健康分析，而無需在醫(yī)院長時間等待。 微流體技術(shù)正在通過將診斷能力從實驗臺轉(zhuǎn)移到消費者手中來徹底改變實驗的方式，并且可能會以前所未有的方式補充科學研究。