微流控芯片：流动现象、基本原理及研究进展

随着微流控芯片（microfluidic chips），又称为芯片实验室（lab on a chip）或微全分析系统（μTAS）技术的飞速发展，微尺度流动的基础研究逐渐形成规模。微流控芯片以微尺度下流体输运为平台，通过对流动的操控，实现化学分析、药物筛选、细胞培养等多种功能。在这种微尺度系统中，涉及化学、生物及细胞、器官中的流动，需要在低雷诺数层流、非牛顿流、生物流体等理论基础上，针对微尺度流动特点开展研究，考虑动电效应、界面效应、多物理场耦合效应等。目前，微流控正在向纳米流控芯片发展，并且在纳米医学、器官芯片等新领域逐渐发挥重要的作用，一些新的流动现象已引起国内外相关领域的极大关注。

数字微流控技术基于电润湿的基本原理对液滴进行各种方式的操控，并构建电极阵列以实现复杂的生物、化学分析，是目前生物微芯片研究中一个极具应用前景的新领域。现有的研究表明，电润湿技术适用于范围非常广泛的流体介质，从离子流体（ionic liquid）和有机溶剂，到生理液体（血液、汗液、牛奶等）、含蛋白质和细胞等。Abdelgawad等发展的全地形液滴驱动（all-terrain droplet actuation, ATDA）技术，在各种形状，甚至是柔性的固体表面上实现了DNA的处理和提纯，这些结果大大扩充了数字微流控技术的应用范围。

PCR

基于电润湿技术的聚合酶链式反应

聚合酶链式反应（polymerase chain reaction, PCR）是目前广泛采用的利用聚合酶进行DNA序列扩增的生物技术。对新冠病毒的核酸检测方法基本采用PCR技术。这是获得临床批准的，也是最广泛应用的技术。现有的PCR-EWOD 微芯片大致有两种构架：一种是通过加热和冷却控制含PCR混合物的液滴所处位置的温度，来实现PCR反应，其中温度大致在65~94℃变化；另一种是驱动液滴在温度恒定的低温区（约64℃）和高温区（约95℃）之间运动。Chang等利用数字微流控技术，率先在一块微芯片上实现了登革热Ⅱ型病毒的聚合酶链式反应，提出了数字PCR技术。

PCR-EWOD 微芯片

如上图所示，他们设计的PCR-EWOD 微芯片分为三个区域，即引物和目标DNA的液池区、混合区、PCR反应器，芯片尺寸是6.5cm×4.5cm。液滴的运动依靠电压为12V_RMS、频率为3kHz的交流电润湿来控制。为了产生进行PCR反应必需的精确温度场，实验中采用了温度传感器进行实时的温度监控，并基于神经网络的预测控制方案设计了温度控制系统。温度传感器和加热器的电流分别是4mA和240mA。实验中，EWOD技术用于产生和运送包含生物样品的液滴，DNA样品的混合和放大也在同一块芯片上进行。首先，含有引物和DNA样品的液滴从各自的液池中生成，其体积约为730nL。两个液滴被运送到数字控制的2×2的混合电极阵列上合并，并通过开关电极使之充分混合，然后移动到PCR反应器。在经过25个变形、退火和延伸循环后，完成了PCR扩增。整个PCR反应过程耗时55min，总共消耗样品15μL，与常规的PCR技术相比，分别下降了50％和70％。

Sista等进一步发展了PCR-EWOD技术，通过将液滴两个不同温度区域输运，在12min内完成了40个PCR循环。最近，Hua等构建了多路实时PCR平台，可以同时进行不同样品、多重目标的PCR扩增，且放大效率高达94.7％。这些研究工作显示了数字微流控非常广阔的应用前景。

微流控芯片设计中流动控制是关键，器件的优化和设计的创新往往来自对物理规律的深刻理解。不同学科的交叉融合才可能迸发出新思维火花。

基于这种理念，《微流控芯片中的流体流动》一书从流体力学基本理论出发，针对微流控芯片的特点，分析微尺度流动基本规律和实际应用，期望为微流控芯片领域研发人员和研究生了解、掌握微流体运动基本原理和分析方法提供帮助。

全球芯片大洗牌 中国芯片市场将爆发万亿空间

最近，受到大事件影响全球资本都在找避风港。东南亚是全球芯片封测的重要产业基地，受到疫情影响隔离封锁，因此，很多封测的产能都转移到国内生产。现在除了中国能够正常复工复产之外，全球大部分国家还在“抄作业”阶段。还有部分学者预测将持续到年底，可以

同时，本书作者根据近年来在微流动研究方面的积累，向读者介绍微流控芯片中的流动现象、基本原理和相关应用，以便读者了解这一领域的研究进展，促进微流体力学的深入发展。

《微流控芯片中的流体流动》

李战华，吴健康，胡国庆，胡国辉 编著

责任编辑：牛宇锋

ISBN：978-7-03-033520-3

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本书针对微流控芯片中的流体操控，从流体力学的角度讲解了流体流动的机理。其中，绪论阐述了微尺度流体力学研究的主要内容和微流动的主要特点。后续章节根据芯片中流动介质的不同分为简单介质流动和复杂介质流动，具体安排如下：简单介质流动按照驱动流动的主要梯度量——压力、电场、浓度和温度分为压力驱动流(第2章)、电驱动流(第3章)和传质与传热(第4章)；复杂介质流动分为微管道内的液滴运动(第5章)。表/界面浸润(第6章)、粒子与细胞的运动(第7章)。为了使读者了解微流动的研究方法，增加了微尺度数值模拟(第8章)和微尺度流动测量(第9章)。

各章先介绍相关流体运动方程，然后讲解基本物理概念和力学原理，同时介绍一些常用工程公式，最后给出几个应用实例，便于读者理解公式的使用。

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