精準入微
——將微流控技術引入分析化學教學的探討

李風云，周雷，張琳，蒲巧生

蘭州大學化學化工學院，蘭州 730000

“精密度”和“準確度”是分析化學的重要概念，“精”和“準”體現(xiàn)了分析化學的內涵。當前，全球經濟社會高速發(fā)展，人類正面臨著醫(yī)藥、健康、環(huán)境等關乎命運的重大問題，分析化學因此被賦予了時代的使命，在追求“精”和“準”的方向上快速發(fā)展。

微流控技術也稱微全分析系統(tǒng)或芯片實驗室，可以將樣品前處理、反應、分離及檢測等過程集成在一張僅幾平方厘米的芯片上，具有設計靈活、集成性強、分析項目廣泛等突出優(yōu)勢[1]，是分析化學的一個重要發(fā)展方向。小尺寸的芯片里包含著精巧的微結構網(wǎng)絡，具有變化萬千的設計潛力。由于微納尺度的流體性質不同于宏觀體系，由此打開了一扇新的探索世界的大門，微流控技術在其發(fā)展初期就很快擴展到了眾多學科領域，經過短短幾十年，現(xiàn)已經成為涵蓋化學、生物、信息、物理、材料等領域的交叉學科[2]。我國的微流控技術發(fā)展迅速，目前相關研究論文位居世界前列，其產業(yè)也在蓬勃發(fā)展。

如今，國內外已有眾多專門介紹微流控的中英文專著[3,4]，國外一些高校已經開設了面向研究生的微流控課程以及探索面向本科生、中學生的微流控實驗[5]。國內復旦大學等高校也開設了面向本科生的微流控理論課程和實驗，但總體而言還相對較少。2017年，科技部印發(fā)的《“十三五”生物技術創(chuàng)新專項規(guī)劃》里明確指出，微流控技術作為顛覆性生物檢測技術，在未來需大力發(fā)展并有所突破[6]。為培養(yǎng)適應新形勢的創(chuàng)新型人才，國內高校一直在探索教學模式的改革和內容的更新[7,8]，已有學者提出向本科教學引入微流控技術的建議[9,10]。微流控技術的學科交叉性強，其微尺度下的流體理論有助于更好地理解傳統(tǒng)化學教學中宏觀體系的相應理論，其應用包含著多學科的研究熱點，在化學專業(yè)本科階段的分析化學課程中引入微流控技術有助于提高課程的前沿性。此外，微流控開發(fā)過程對綜合知識運用能力要求高，挑戰(zhàn)性和趣味性強，容易激發(fā)學生主動探索的興趣，有助于培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。以下就微流控技術的發(fā)展史、制作工藝、理論和應用，以及其中蘊藏的思政元素，與分析化學教學內容的聯(lián)系等做簡要闡述，為分析化學課堂教學引入微流控技術提供借鑒和素材。

1 微流控芯片體系的簡要發(fā)展史

20世紀50年代，半導體微加工技術日趨成熟。1979年，Stephen Terry利用微加工技術在硅片上制作了第一個微型氣相色譜儀[11]，這被廣泛認為是“芯片實驗室”的早期嘗試。1990年，Andreas Manz提出了微全分析系統(tǒng)的概念[12]，這具有劃時代的意義，開啟了微流控作為一個獨特領域的大門。在這個時期，芯片的加工主要基于半導體微加工的技術積累，硅片、玻璃和石英是主流的芯片制作材料。此后掀起的人類基因組計劃研究熱潮推動了微流控技術向生命科學研究領域進軍。生命科學的實際需求促使研究者尋求更加適合的芯片材料。1998年，George Whitesides團隊利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)快速復制成型的微加工方法制作微流控芯片[13]，PDMS憑借其良好的透光性、低成本、易加工等突出優(yōu)勢迅速成為主流的芯片制作材料，極大地促進了微流控技術的快速發(fā)展。時至今日，PDMS依然是微流控芯片應用最廣泛的材料之一。早期的微流控芯片應用主要集中在電泳分析方面，2002年，Stephen Quake等人開發(fā)了一種高度集成化的微流控芯片，其上集成了上千個微閥和反應器[14]。芯片應用自此走向了更加多元化的發(fā)展方向。2007年，George Whitesides團隊又開發(fā)了紙分析設備(PAD)，紙芯片由此成為微流控芯片家族的重要成員[15]。如今，微流控技術已經覆蓋眾多研究領域，且市場潛力巨大?？梢灶A計，不遠的未來，微流控將在國民生產生活的方方面面發(fā)揮舉足輕重的作用。

我國的微流控技術研究幾乎與世界同步，國內學者敏銳地預見了這一領域的發(fā)展?jié)摿?，憑借他們前瞻性的判斷，緊追國際前沿。方肇倫院士、陳洪淵院士和林炳承研究員等是國內第一批從事微流控技術研究的學者，“微流控”這一形象、準確的中文名稱也是方肇倫院士等確定的。老一輩學者在各自的研究領域里審時度勢，以國家戰(zhàn)略的高度精準把握，在微流控電化學分析、細胞、器官芯片、藥物研究等關鍵領域攻堅克難，開創(chuàng)了微流控研究的新局面，并為其后續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎。在他們的引領和大力宣傳下，越來越多的研究者加入到微流控研究的隊伍里，為我國的微流控技術貢獻了巨大的力量。如今，我國的微流控研究呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展局面，研究隊伍、研究論文數(shù)量都位居世界前列。目前，5位國內學者擔任微流控領域的著名刊物Lab on a Chip的副主編或編委，僅次于美國。圖1列出了微流控芯片發(fā)展過程中的重要事件。

圖1 微流控技術發(fā)展過程的重要事件

回顧歷史，微流控技術的崛起既是一部科學技術完美交叉融合、相互借鑒相互促進的發(fā)展史，更是一部生動的無數(shù)科學家堅持不懈、勇于探索的奮斗史。Stephen Terry的芯片氣相色譜儀是典型的原創(chuàng)，而時隔十多年后Andreas Manz將毛細管電泳與微加工芯片結合提出了微全分析系統(tǒng)的概念，這種學科融合引發(fā)了全球對微流控領域的關注和研究潮流。George Whitesides、Stephen Quake針對該技術發(fā)展中的關鍵問題和需求，提出巧妙的解決途徑，極大地拓展了應用領域。

這些發(fā)展歷程蘊藏著廣大教師想要傳達給學生的“精神”，授人以魚不如授人以漁，讓學生在接受知識的同時，感悟科學技術的環(huán)環(huán)相扣和發(fā)掘思路，鼓勵學生的奇思妙想，激發(fā)創(chuàng)新思維。

2 微流控芯片的制作工藝

微流控芯片的制作工藝隨著實際需求不斷發(fā)展，從最早的光刻技術制作硅芯片和玻璃、石英芯片，到現(xiàn)在多樣化的高聚物芯片加工方式，制作工藝朝著高精度、低成本、易操作、批量化的方向發(fā)展，新的加工技術也不斷被引入到微流控芯片的制作中來。以下就主流的高聚物芯片主要的制作工藝做簡單介紹。

2.1 模塑法

模塑法是目前應用非常廣泛的微芯片加工技術，主要用于PDMS這樣的彈性聚合物[16]。利用模具在光刻膠上形成圖案，再將PDMS預聚物溶液倒在光刻膠形成的圖案上，待PDMS聚合完成，剝離下彈性PDMS聚合體，即獲得了與圖案相對應溝槽的PDMS片，與玻璃基底封接后獲得微流控芯片(圖2)。

圖2 模塑法制作PDMS芯片的流程

2.2 熱壓法和注塑法

熱壓法和注塑法是工業(yè)上批量制作微芯片的主要技術，利用高聚物在玻璃化轉變溫度以上的形變來實現(xiàn)。熱壓法在高溫高壓下將模具的圖案轉印到聚合物上，可制造寬度低至微米級的微通道[17]。注塑技術通過將熔融聚合物材料注入模具的空腔，冷卻后獲得芯片。相較而言，注塑成型更快，成本更低[18]。

2.3 三維立體打印

三維立體(3D)打印是近年發(fā)展起來的新技術，已開始應用于工業(yè)制造中。3D打印的玩具、文創(chuàng)產品已比較普遍，甚至有3D打印食品的報道，自然也被用于微流控芯片制作。3D打印能夠輕松制造復雜、高精度的三維結構芯片，包括器官芯片。該技術用于微流控芯片制作最重要的特征是省略了芯片封接的步驟，省時省力。極具代表性的雙光子聚合技術在微納尺度上控制光敏樹脂的聚合，制作的芯片精度可達幾十納米[19]，可極大地提高芯片結構的精細程度和集成度。

此外，激光燒蝕、雕刻等方法也都成功用于微芯片的制作。

3 微流控重要理論簡介

物質在微觀尺度上性質與宏觀體系不同，體現(xiàn)在流動狀態(tài)、表面張力、毛細管力及擴散時間等物理量上。了解微流控理論能夠更好地理解化學相關理論。

3.1 雷諾數(shù)

在流體力學中，雷諾數(shù)(Re)是一個無量綱量，定義為慣性力與粘性力的比值，量化了這兩種力在給定流動條件下的相對重要性[20]：

式(1)中，ρ是流體密度，ν是速度，L是系統(tǒng)的特征線性維度，μ是動態(tài)粘度。在圓形管道中，Re隨管道直徑的減小而減少。當Re值低于2000時流體進入層流狀態(tài)，大于4000為湍流。常規(guī)的管路或空氣中Re值較大，而微流控通道的小尺寸使其Re值很低，其內流體往往處于層流狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，液體平行流動，界面清晰，因而微流控芯片內物質的運動軌跡可輕松預測。利用微流控通道中的層流特征，有助于提高分析的精密度。在講解相關內容時，對比與宏觀體系截然不同的微流控體系，學生能更清晰地了解相關概念和原理。

3.2 表(界)面張力

在微觀尺度上，表(界)面張力相對重力占主導地位。在空氣中，液體為降低其自由能，通過表面張力使氣液界面的面積縮小。在兩種不混溶的流體中，如水和油，界面張力使其中一種流體形成球狀來維持最小的界面面積，微液滴技術就是利用了這一現(xiàn)象[21]。對于已經了解了表(界)面張力的本科生，這是對該概念的補充和回顧，能更好地理解相關知識點和微流控技術。

3.3 毛細管力

得益于毛細管力，液體能夠輕松通過狹窄多孔的材料或毛細管，而在宏觀尺度上，這是不可能實現(xiàn)的。毛細管力在分析化學中有著重要的應用，例如基于毛細管力的液體進樣方式，這是分析化學中儀器分析課程的內容。毛細管力在微流控芯片里的應用更加豐富充分，紙芯片就是利用了毛細管力實現(xiàn)分析[15]。為大眾所熟知的側流試紙條，如驗孕試紙、新冠病毒抗原檢測試紙、家用化的血糖試紙等，驅動液體流動的力就是毛細管力，醫(yī)院里幼兒采血用的細玻璃管也是利用了毛細管力。

3.4 擴散時間

化學實驗常常涉及攪拌操作，其目的就是讓液體充分混合，減小分子間擴散距離來縮短反應時間，進而提高反應效率。擴散時間近似地與分子擴散距離平方成正比關系[22]：

式(2)中，x是分子在t時間沿一個軸行進的距離，D是擴散系數(shù)?？梢?，隨著擴散距離的減小，分子擴散時間也隨之減少。相比以燒瓶、燒杯、試管等為代表的化學反應容器，微流控芯片的微通道因其狹小的空間使得分子擴散時間更短，因而分析和響應更快，更容易控制反應過程，提高分析速度。

總之，微流控技術提供了一個從微尺度視角認識和研究物質的平臺，可以與傳統(tǒng)教學內容相互印證、相互補充，從而激發(fā)學生興趣，拓展思維，培養(yǎng)和提高分析和解決問題的能力。

4 微流控技術的應用趨勢

微流控芯片技術已經滲透到分析化學的各個研究領域，最引人矚目的當屬以細胞、生物大分子和代謝分析為主要研究內容的生命分析領域(圖3)。以下作簡要介紹。

圖3 微流控芯片在生命科學研究領域的應用示意圖

4.1 單細胞分析

細胞具有異質性，對群體細胞的研究會掩蓋單個細胞的關鍵信息，精準研究單細胞是推動生物醫(yī)學和細胞生物學發(fā)展的關鍵[23]。微流控技術極具優(yōu)勢的就是精確的流體控制和構筑微結構隔離單細胞。因此，借助微流控技術，近年來單細胞分析得到了快速的發(fā)展，成為微流控研究的熱點之一。

微流控芯片主要通過構筑和單細胞尺寸接近的微結構(微孔和微閥)來捕獲、隔離單細胞。例如，在微芯片上設計與待分析細胞尺寸接近的微孔，可以在細胞流過時“卡住”細胞，再將芯片翻轉，細胞落入芯片底部較大的孔中增殖培養(yǎng)，進行下游分析[24]。也可設計外部壓力控制的微閥，降低壓力打開閥門，可使單細胞通過，而增加壓力關閉閥門，可截留單細胞。這種方法還能選擇性地提取被截留的單細胞[25]。微液滴尺寸可調，也是一種非常好的隔離單細胞的手段。更重要的是，微液滴能包封單細胞及其分泌的物質，其分泌物能在液滴內快速積累至可檢測的水平，這對于細胞代謝物的檢測(圖4)[26]、基于代謝物的細胞分選[27]等研究具有得天獨厚的優(yōu)勢。

圖4 (A) 用于檢測大腸桿菌代謝物的微液滴芯片及檢測方案示意圖；(B) 微液滴的形成照片及(C) 局部放大照片[26]

4.2 即時診斷(POCT)

近年來，隨著大健康時代的到來，國民對個人健康的關注度空前提升。醫(yī)院的分析檢測資源難以應對廣大人民群眾的需求。適用于家庭、診所、社區(qū)衛(wèi)生站的低成本、即時診斷(POCT)技術開始吸引越來越多的關注。微流體芯片技術能很好地滿足POCT的要求，是最具潛力的POCT解決方案之一[28]。

核酸和蛋白質是POCT的兩個主要檢測對象。新型冠狀病毒的全球大流行和全民的防控行動，讓公眾認識了核酸檢測，尤其是聚合酶鏈式擴增技術(PCR)的重要性。PCR是病原微生物診斷的金標準。微流控PCR技術可以大大節(jié)約試劑和樣品，通量高(圖5A)，但受限于PCR固有的變溫過程，芯片設計較為復雜[29]。芯片等溫核酸擴增，如環(huán)介導等溫擴增(LAMP)，僅需一種溫度，簡化了芯片設計，可集成病原裂解、核酸提取等過程，更容易開發(fā)成為全自動檢測工具[30]。蛋白質檢測最普遍的方法是酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)。通常的策略是將捕獲抗體固定在芯片微通道或納米材料上[31,32]，加入樣品后捕獲待測抗原，檢測抗體標記有酶[31]、納米材料[32]等，形成的免疫復合物通過酶促反應或者納米材料產生可檢測的信號，實現(xiàn)靶抗原的檢測(圖5B)。大量的POCT微流控芯片研發(fā)集中在與疾病診斷相關的蛋白質類生物標志物上，市場應用前景廣闊。目前，全球多家知名體外診斷廠商都在積極開發(fā)基于微流控的POCT設備。雅培(Abbott)推出了基于微流控的POCT裝置iSTAT，用于檢測血液中的一系列指標，如今已經廣泛用于臨床診斷[33]。其他市場占比份額較大的POCT設備供應商包括羅氏(Roche)診斷和西門子(Siemens)等?？梢灶A計未來微流控POCT將在醫(yī)療健康領域發(fā)揮更大的作用。

圖5 (A) 用于PCR的微流控芯片示意圖[29]；(B) 用于檢測新型冠狀病毒的微流控芯片示意圖[32]

4.3 器官芯片(Organ on a chip)

2016年，器官芯片(organ on a chip)入選全球十大新興技術[34]，足見其研究的重要性和前瞻性。器官芯片是建立在微流控芯片上的生理器官仿生系統(tǒng)，其在組織界面和機械刺激方面模擬器官微環(huán)境、人體組織結構和功能特征，是生理研究和體外藥物開發(fā)篩選的重要平臺。器官芯片成本低，不涉及動物實驗的倫理問題，是未來實驗動物模型最具潛力的替代技術[35]。

目前，器官芯片已經可以模擬人體肺、肝、腸等重要器官，并借此搭建藥物評價平臺，研究藥物在重要器官內的代謝[36-41]。研究者在芯片上共培養(yǎng)肺泡上皮細胞和血管內皮細胞，向微通道施加壓力成功模擬了呼吸過程中肺泡的膨脹和收縮[36]，通過與銅綠假單胞菌共培養(yǎng)來構建細菌感染模型，研究肺組織與細菌的相互作用[37]。在芯片上培養(yǎng)肝細胞構建的肝芯片能夠形成膽小管[38]。腸道是負責消化和吸收的器官，是口服藥物必須跨越的屏障之一，它的作用對評價和預測藥效很重要。有研究者在培養(yǎng)有小腸細胞的腸芯片上在線監(jiān)測了羅丹明的轉運過程，為藥物代謝的研究提供了參考[39]。這些研究表明機體代謝途徑能夠通過微流控芯片模擬體內的微觀結構來再現(xiàn)。更有價值的是，由于人體生理過程中各器官是協(xié)同工作的，微流控芯片可集成多個仿生器官構建多器官芯片，用來研究藥物在多器官協(xié)同作用下的代謝情況，能夠再現(xiàn)器官體積比和血流速率比等生理參數(shù)[40]。在集成了肝臟和肺癌模型的多器官芯片上研究缺氧誘導的癌癥轉移，同時評價藥物對癌癥的治療效果是一個典型的例子(圖6)[41]。

圖6 (A) 肝臟-肺癌芯片的功能描述示意圖；(B) 芯片的結構解析圖[41]

4.4 其他應用

近年來，基于微流控芯片的微反應器也引起了越來越多的關注。如前所述，微流控芯片的微尺度通道、池、孔等結構能夠很好地控制流體，其間進行生物大分子相互作用(如抗原-抗體)、化學反應等，相比燒瓶、試管體系，更容易控制溫度，物質的擴散所需時間更短，傳熱、傳質效率更高，更容易精確控制反應時間，有效避免因反應不充分或反應時間過長而產生的副產物，從而提高產率[42,43]。納米材料[42]、含能材料[43]、光催化劑[16]等在微流控芯片上的成功制備及活性評價驗證了這些優(yōu)勢。

得益于微流控精確控制和操縱流體的能力，它在藥物遞送領域的研究也得到了快速而廣泛的發(fā)展。微流控芯片能夠精確控制藥物輸送速率、時間和位置，這對研究減少藥物副作用、提高藥物治療效果的方法有重要參考價值[44]。微流控芯片與質譜聯(lián)用實時在線檢測物質及其含量的方法，已經廣泛應用于細胞代謝和藥物代謝的分析，為藥物篩選提供了良好的研發(fā)和評價平臺[23]。

從以上所舉實例可以看出微流控技術在分析化學領域中的廣泛應用。微流控作為一項具有顛覆性意義的新興技術，已經成為分析化學不可或缺的組成部分。將這些生動有趣的微流控技術研究實例引入分析化學教學，可以更好地引導學生了解學科發(fā)展前沿，增強學生的學習興趣。

5 結語

回顧微流控技術發(fā)展歷程，從早期微全分析概念的提出，到今天成為一門廣泛應用于化學、生物、材料、工程等眾多領域的交叉科學，其蘊含的思政元素、體現(xiàn)的科學精神是鮮活的課程思政素材。在當今醫(yī)療健康需求快速增長的時代背景下，無論是疾病診斷還是藥物研發(fā)都對分析化學提出了新的要求。微流控體系所具備的集成化和微型化特征，完美契合分析化學的發(fā)展趨勢。將常規(guī)容器中完成的分析操作微縮至郵票大小的芯片中，實現(xiàn)單細胞分析、POCT和器官芯片等，為分析化學滿足這些新要求提供了堅實的基礎，充分體現(xiàn)了前沿性。微流控體系中的獨特現(xiàn)象、微流控芯片結構的多樣性以及豐富多彩的實際應用，也可以增加學習的趣味性。

同時，分析化學與微流控技術具有緊密的內在聯(lián)系，這也是微流控技術早期主要集中在分析化學方面的原因。在分析化學中引入微流控技術并不突兀，不會影響分析化學課程自身的基礎理論、基礎知識框架。通過合理的課程設計，將微流控技術的相關內容嵌入分析化學，尤其是儀器分析的教學過程中，不會明顯增加課時需求。從這個角度看，追求“精”和“準”的分析化學核心理念與微流控的“微”型化本質具有高度一致的目標。不僅是“精準”入“微”或者“微”入“精準”，而且是“微”為“精準”，也就是說微流控技術是分析化學的發(fā)展方向之一，將微流控技術引入分析化學不僅可行而且非常必要。