微流控技术及其应用
摘要：微流控技术广泛应用于生化分析、疾病诊断、微创外科手术、环境检测等领域。
微通道结构设计与制造、微纳尺度流体的驱动与控制、微流控器件及系统的集成与封装是该领域的3大关键技术。
本文综述了微流控技术在这3个方面的发展现状及在不同领域中的应用，展望了微流控技术的发展前景，指出多相微流体的介观传输理论及跨尺度流体的性质将是今后研究的重点与热点。
1、微流控技术简介：
微流控技术是指在至少有一维为微米甚至纳米尺度的低维通道结构中控制体积为皮升至纳升的流体进行流动并传质、传热的技术，可广泛应用于生化分析、免疫分析、微创外科手术、环境监测等众多领域。
根据美国两院院士、哈佛大学乔治·怀特塞兹（George Whitesides）教授2006年刊登在国际顶级科学期刊《科学》上的文章中的定义，微流控（Microfluidics）是指针对极微量体积流体（10-9L~10-18L）进行操控的科学与技术。
实现微流体操控的主要方法就是将流体限制在一个微米甚至纳米尺度的通道中，而这些通道的制作手段起源于制作微电子处理芯片的半导体工艺流程。
最早提出微流控这个概念的是1990年在瑞士Ciba-Geigy公司做研究的Andreas Manz教授，他最初的设想是将微机电（MEMS）与分析化学相结合，从而做出一个类似芯片能将各种功能集成在一起的微型分析仪器。
当时，这样的系统被称为微全分析系统，英文是Miniaturized totalanalysis systems，简称为MicroTAS或μTAS。
1998年，微流控技术被评为世界十大科技进展之一，发展至今，微流控已经演变成一个十分独特的前沿科学领域。
微流控技术还有另一个十分形象化的名字，芯片实验室（Labonachip），就好比将实验室里对样品的各种操作流程都集成在一块小芯片上。
2001年，英国皇家化学学会为此专门推出了《芯片实验室》（LabonChip）期刊，如今该期刊已经成为国际微流控领域的顶级期刊。
2、微流控技术应用
微流控芯片的显著特点：所需样品试剂量很小，分析速度快，易于阵列化从而能够实现高通量检测、系统集成化、微型化、自动化和便携式；在单细胞或单分子研究领域，微流控芯片有着明显的优势。
此外，由于样品在微纳尺度下的特殊效应，使用微流控芯片也能够开展一些独特的前沿研究。
其被用于航空航天、医学、农业、生物工程、材料加工、化工工业等众多领域。
2.1 生物医学领域的应用
微纳尺度下，流体间的传质、传热和反应过程高效、易控，主要是因为：
1)短程分子扩散有利于控制化学反应进程并且能够快速达到平衡状态；
2)相对较大的界面有利于促进界面反应；
3)反应发生时只需要少量热能，散热和加热过程都容易实现，能精确控制反应温度；
4)待分析的溶液或物质需求量极微小，可以节省贵重药品消耗或有毒物质的挥发。
这些特点使微流控技术应用于萃取提纯口“、病毒及细胞或大分子的分离与检测以及疾病的快速诊断口方面具有显著的优势。
2.2层流微加工技术
层流微加工是利用微流体的层流特性，通过精确地控制化学反应试剂在微通道中的传输过程，在微通道中特定区域加工或合成化学物质的新型微加工技术。
实现层流微加工必须具备以下条件：
1）能够将化学试剂从微通道外转移到微通道内；
2)能够将化学试剂定位到反应发生的精确位置；
3)化学试剂在所需的位置处发生期望的化学反应；
4)能够将废物从反应发生的区域移走。
4总结与展望
微流体与宏观连续流体相比较因流动空间特征尺度不同而存在明显差异。
利用微流控技术已经能够实现多相流体的混合、分离、萃取和反应，并实现了微泵、微阀、微反应器等多种器件的集成。
然而，在微流控技术的应用方面仍然存在一系列的难题：
1)纳米尺度及三维微通道的制备；
2)微纳尺度下流体流动状态的精确控制；
3)微通道内流体流速、温度等物理量的精确测量；
4)微流控器件工艺与传统微电子制造工艺的兼容性；
5)微流控器件与其他微电子、微机械器件的集成与封装等。
在高度集成的微流控器件中，通道中的流体也往往是多种液体、气体同时存在。
深入研究多相微流体之间，尤其是界面处的传输过程对于开发各种新型、高效的微流体器件至关重要。
但是由于界面的横向尺寸太小，所涉及的微观过程(包括扩散、对流、化学反应、电化学等)和微观相互作用(包括流体与微观粒子之间、流体与固体界面之间、粒子与粒子之间、粒子与固体或液体界面之间的相互作用等)通常又十分复杂，因此直至今天仍然有许多机理没有搞清楚。
多相流体在界面处的相互作用是一个典型的“介尺度”科学问题。
如何建立相应的介观尺度研究基础理论、掌握多相微流体的流动特点、全面解析多相微流体间的反应过程与机制，从而实现对多相流体流动及反应的调控将是该领域未来研究的重点之一。
另外，随着制造和加工技术的不断进步，微通道尺寸越来越小，结构越来越复杂，在流体流动方向上通道的特征尺度常常会跨越毫米、微米以及纳米量级。
在不同尺度通道间的结合部位，流体的流动状态极为复杂。
尺寸效应及跨尺度条件下流体的性质、状态及演变将是多相微流体研究中的另一个重点。