微流体是具有微尺度(几十到几百微米)集成通道的系统科学和技术,其中少量流体(通常为10-9至10-18升)可以被系统地控制和操纵,从而按照预先的设置进行流动。微流体技术在近几年来的迅速发展使其得以在包括食品,医疗,科技,和环境等的多个领域大展身手。其中备受瞩目的及时现场护理(POCT),液滴微流体,以及仿生实验室技术就能很好地代表微流体近年来在我们生活中扮演的角色。这些技术的名字或许听着十分高冷,但是待小编给大家举几个“栗子”,大家就会发现它们其实无处不在。
及时现场护理(POCT)或床边测试被定义为在护理点处或附近的医疗诊断测试,也就是说,测试就发生在护理患者的时间和地点。而传统意义上的测试几乎完全依赖于医疗实验室。患者样本需要从护理点运送到医疗实验室,经过几个小时甚至是几天复杂的实验过程,患者才能知道自己的测试结果。而在等待的时间中,对患者的护理还在继续,即使医护人员并没有其所需要的患者信息。当POCT和电子医疗记录结合使用时,由于可以对患者进行目标导向治疗(GDT),患者的发病率和死亡率得以降低。
科学界近几十年来也见证了POCT的快速发展,其在家庭医疗保健,事故点和紧急情况下提供实时诊断方法。与传统劳动密集型,耗时和昂贵的大型仪器实验室测试相比,POCT是经济实惠的,敏感的,特异性的,用户友好的,快速的,强大的,无设备的,并且可交付给最终用户的。因此,POCT满足世界卫生组织提出的“保证”标准的要求。
同时,由于样品消耗低,处理时间短,灵敏度高,成本低等原因,微流体技术已成为POCT的神助攻。其已经可以集成到一次性设备中,具有高度的样品控制力,并可以进行多重测试。作为POCT最流行的微流体技术,侧流测试(LFT)已经成为很多资源有限的地区标准的生物测定方法。但是LFT在定量性和多重测试性上面还差强人意。
科学家们多年来致力于开发具有无设备定量读数的微流体POCT,包括基于强度的测量,基于阶梯的检测,以及基于距离的测量。胆固醇监测具有重要的临床意义,特别是在预防心脏病方面。早在上个世纪末,就有科学家报道了一种用于定量检测全血中胆固醇的纸条。该纸条分为四个部分:测量区域,酶试剂垫,样品垫和芯吸条。当芯吸试剂含有HRP的条带被倾倒,其就使得样品与固定在酶试剂垫上的胆固醇氧化酶反应。反应会产生过氧化氢,并与测量区域中的底物进一步反应,产生着色产物,其强度与样品中胆固醇的浓度成正比。这样的技术使得未经训练的人员都能够在15分钟内以高精度和准确的方式进行自我测试。类似的,这种方法也可以定量检测高密度脂蛋白(HDL)的含量。HDL是冠心病(CHD)的重要指标。
另一个应用非常广泛的微流体亚类是液滴微流体,其通过微通道内的不混溶多相流,产生并操纵离散的液滴。尽管处于发展的早期阶段,微流体最初考虑的是易混溶流体相的连续流动,液滴微流体的产生和发展是出于两种互补的需求:生成用于μTAS研究的微流量反应器,以及制造复杂的基于液滴的颗粒,以进行材料研究。在过去的二十多年中,得益于理论和技术方面的巨大进步,液滴微流体已经在多个领域得到很广泛的应用。
液滴微流体在过去20年间的进步主要体现在以下几个方面。首先,在芯片的制作方面,受益于新材料的不断引入,以及制造技术的日益创新,液滴微流体经历了从简单的二维(2D)微通道到多功能三维(3D)系统的过渡开发。而在液滴动力学方面,微流体液滴产生的原理已经得到了深入的研究。人们现在通常会通过被动流体动力学压力或是主动的外部驱动来产生液滴。了解液滴微流体独特的流体动力学可以帮助我们精确地控制液滴及其界面,并产生新颖的系统设计,生成和操纵具有不同形态和行为的液滴。在应用方面,随着理论和技术的进步,液滴微流体已经在生物化学分析,材料的纳米或是微量级生成等方面有了广泛的运用。