微流控是在微納米尺度空間實現微小流體操控的科學技術，由于其微型化、可集成和可操控等優點，自誕生以來廣泛受到關注。本文檢索了Web of Science檢索平臺核心數據庫2006年1月1日至2021年12月31日有關微流控研究的文獻數據，應用CiteSpace 5.8.R3軟件進行文獻計量學分析，了解國內外微流控相關研究進展，探究研究趨勢。通過對50 129條文獻的分析可以看出，微流控是全球共同關注的熱點方向，美國在該領域具有一定的權威性，麻省理工學院和哈佛大學不僅具有較高的發文量，還具有較強的影響力和廣泛的合作網絡。微流控技術結合超聲波、表面修飾和傳感器等技術，構建紙基微流控、液滴微流控和數字微流控平臺，應用于器官芯片以及體外診斷領域的即時診斷、核酸和循環腫瘤細胞分析是當前研究熱點。我國是在微流控領域研究水平較高的國家之一，但高端產品的產業化有待提升，隨著人民對疾病的風險預測和健康管理等需求增加，推進微流控科技創新和成果轉化，對于維護人民生命健康具有重要意義。
引用本文： 魏巍, 武瑞君, 桑曉冬, 梁天宇, 李治非, 李陟, 楊陽, 蘇月. 微流控技術研究的可視化分析. 生物醫學工程學雜志, 2022, 39(3): 551-560. doi: 10.7507/1001-5515.202201054 復制
引言
微流控（microfluidics）是在含有微米級通道的設備中精準處理和操控微小（1×10-9 ~ 1×10-10 L）流體涉及的科學和技術，可將多種技術單元組合在幾平方厘米的芯片上，亦被稱為“芯片實驗室”（lab on a chip）或“微全分析系統”（micro total analysis systems）。20世紀70年代至90年代，分析化學家將微納加工技術應用于芯片色譜和芯片毛細管電泳，提出微全分析系統（miniaturized total analysis system，μTAS）的概念[1]。2006年《Nature》雜志發表了一期有關“芯片實驗室”的專輯，從不同角度闡述了微流控芯片的應用前景[2-4]，開啟了微流控技術高速發展的15年。不同于宏觀流體，微流控微通道內流體的雷諾系數極低，呈現層流現象，流體的擴散動力學高度可控、可預測；重力作用減弱，表面張力和界面張力凸顯；毛細管力凸顯，允許液體逆重力運動。此外，根據應用需求，還可以通過調節微通道的形狀、長寬度等性質改變流體的力學性質。因此，微流控技術可以簡化復雜生物學研究，開展批量樣品篩選和處理，顯著減少分析樣品體積，提高研究的可預測性和可控性[5]。
基于上述優勢，研究人員將微流控技術應用于生命科學研究、醫學診斷、環境監測和藥物研究。在新型冠狀病毒肺炎疫情期間，微流控技術在體外診斷設備中發揮了重要作用，并具有重要市場應用前景。Research and Markets分析報告顯示，2020年全球微流控設備市場規模預計達到31億美元，預計2020年至2027年間我國微流控設備市場年復合增長率19.2%，到2027年，市場規模將達到19億美元[6]。
CiteSpace文獻可視化分析工具利用可視化手段呈現所分析研究領域的知識結構、分布和規律趨勢。通過對文獻的共現和共被引分析，呈現研究合作網絡和研究發展趨勢，篩選研究領域的重要研究成果[7-8]。本文旨在應用文獻可視化分析方法，呈現微流控技術發展趨勢和研究熱點，為微流控技術的研究與應用提供參考。
1 數據檢索與處理
文獻來源于Web of Science（Thomson Reuters，美國）的Web of Science核心集，檢索條件為microfluidic（主題）或 “lab on a chip”（主題）或 “micro total analysis systems”（主題）或 “miniaturized total analysis systems”（主題），檢索時間范圍為2006年1月1日至2021年12月31日，對納入的文獻精煉依據為：文獻類型為論文或綜述論文，語種為英語。
檢索獲得的微流控技術相關文獻記錄共50 129條。以純文本格式導出檢索結果的全記錄與引用的參考文獻，導入CiteSpace 5.8 R3軟件，時間分區設置為2006年1月1日至2021年12月31日，時間切片為2年。根據不同研究目的選擇分析節點，選擇國家（country）、機構（institution）、作者（author）節點，得到施引文獻的合作圖譜，用以分析社會關系和學術影響力；選擇關鍵詞（keyword）節點，得到關鍵詞共現圖譜，分析研究熱點和演進路徑；選擇文獻（reference）節點，得到被引文獻的共引圖譜，結合聚類結果，分析研究主題演變。根據模塊值（modularity，Q值）和平均輪廓值（silhouettes，S值）評估繪制的聚類網絡效果，其中Q值 > 0.3表示劃分的結構顯著，S值 > 0.5意味著聚類合理，S > 0.7表示聚類結果令人信服[8]。分析使用的中介中心性（centrality）衡量節點在結構中的重要性，突發性（burst）衡量節點在時間上的重要性。
2 數據分析
分析微流控技術領域近16年發表的文獻，主要分布于分析化學、納米科技和儀器及儀表等領域，2006年至2021年發文量呈現逐年遞增趨勢（見圖1）。
圖1
2006年至2021年微流控技術相關研究年度發文量
Figure1.
Annual number of publications on microfluidics from 2006 to 2021
2.1 國家、機構和作者可視化分析
用CiteSpace分析得到N（網絡節點數量） = 24、E（連線數量） = 121的國家合作圖譜（見圖2），得到N = 237、E = 668的機構合作圖譜（見圖3）。根據可視化分析結果，美國在發文量和中介中心性方面均排名第一（見表1）；德國也具有較高的發文量和國際合作網絡；相比韓國、德國和日本等國家，中國和美國在2014年后發文量較高。近年來，微流控研究在我國如雨后春筍般的開展可能與國家政策相關。2016年至2017年，我國出臺相關政策推進微流控領域科技創新，國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》提出體外診斷產品要突破微流控芯片等關鍵技術，科技部發布《“十三五”生物技術創新專項規劃》，將微流控芯片納入到新一代生物檢測技術中。
表1
微流控技術相關研究發文量及中介中心性排名前5位的 國家
Table1.
Top 5 countries in terms of number of publications and centrality on microfluidics
圖2
微流控技術相關研究國家合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N = 15，節點類型為國家
Figure2. National cooperation graph on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 15, and the node type was country
圖3
微流控技術相關研究機構合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N=10%，不超過100，圖譜剪切方式采用尋徑網絡和對每個切片網絡進行裁剪，節點類型為機構
Figure3. Collaboration graph of research institutions on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was institution
在研究機構方面，發文量和中介中心性排名前5位的機構主要位于美國、中國和日本，中國科學院、麻省理工學院和哈佛大學發文量較高，并且具有廣泛的合作網絡（見表2）。綜合發文量和中介中心性兩項排名，哈佛大學可認為是該領域的權威機構。
表2
微流控技術相關研究發文量及中介中心性排名前5位的 機構
Table2.
Top 5 research institutions in terms of number of publi cations and centrality on microfluidics
生成的作者合作圖譜（見圖4，N = 477，E = 662）顯示了微流控技術領域發文量較多的作者及其研究合作網絡。結合圖4和表3[5,9-20]，發文量排名前5位的作者中1位來自中國，3位來自美國，1位來自印度。發文量和中介中心性（0.21）排名均靠前的作者為美國哈佛大學David A. Weitz教授，是美國哈佛大學工程與應用科學學院教授，長期研究利用微流控設備精確控制流體制備單分散液滴模板，并利用液滴作為微反應器，實現少量流體高速率反應，還利用液滴制備其他方法難以合成的復雜結構顆粒，實現顆粒批量化生產，用于藥物包載、化妝品技術等方面[12-13]。2015年Weitz團隊[14]在《Cell》期刊發表了基于液滴微流控技術對胚胎干細胞進行單細胞RNA條碼標記的文章，截至2021年12月已被引用千余次。
表3
微流控技術相關研究發文量排名前5位的作者
Table3.
Top 5 authors in terms of number of publications on microfluidics
圖4
微流控技術相關研究作者合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N = 10%，不超過100，節點類型為作者
Figure4. Collaboration graph of authors on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 100, and the node type was author
2.2 關鍵文獻可視化分析
對文獻進行共被引分析，得到N = 518、E = 577的文獻共被引網絡圖譜（見圖5），分別統計被引頻次和中介中心性排名前5位的研究（見表4[2,5,21-27]），分析得到9篇關鍵節點文獻，均為綜述類文獻。2006年Whitesides[21]在《Nature》發表的綜述《The origins and the future of microfluidics》中介中心性最高（0.36），該文獻系統闡述了微流控發展歷史、當前發展情況及未來應用前景，指出微流控作為一個獨特的新領域，未來極有可能影響化學合成、生物分析和信息技術。2014年Sackmann等[5]在《Nature》發表的綜述《The present and future role of microfluidics in biomedical research》被引頻次最高，該文總結了微流控技術在生物醫學研究中的應用與發展前景，闡述了微流控技術在診斷、快速分離、器官芯片構建等方面的進展，提出微流控的商業化進程還有待開拓。
表4
微流控技術相關研究被引頻次和中介中心性排名前5位的關鍵節點文獻
Table4.
Top 5 key node references in citation frequency and centrality on microfluidics
圖5
微流控技術相關研究文獻共被引合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N=10%，不超過100，圖譜剪切方式采用尋徑網絡和對每個切片網絡進行裁剪，節點類型為文獻
Figure5. Co-citation cooperation graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was reference
對共現文獻進行聚類分析，得到S = 0.968 2、Q = 0.870 5的文獻聚類圖譜（見圖6），聚類結果顯示，微流控技術通過構建液滴微流控、數字微流控、紙基微流控平臺，主要應用于細胞培養、循環腫瘤細胞和細胞外囊泡分析。對文獻進行凸顯性分析（見表5[3,5,21-24,28-31]），可以判斷研究熱點。由文獻的凸顯年度可以看出，紙基微流控、數字微流控、即時診斷和器官芯片是近年來關注度較高的研究方向。
表5
微流控技術相關研究凸顯性強度排名前10位的文獻
Table5.
Top 10 references with the strongest citation bursts
圖6
微流控技術相關研究文獻共被引聚類圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置同圖5
Figure6. Co-citation cluster graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter settings were the same as Fig.5
2.3 關鍵詞可視化分析
用CiteSpace構建關鍵詞共現圖譜（N = 86，E = 219），排除chip、device、microfluidic device、system關鍵詞，得到關鍵詞共現圖譜后進行聚類分析，采用對數自然率算法，顯示前6個聚類，本次聚類S = 0.727 4，Q = 0.480 3，聚類結果較好（見圖7）。分析聚類結果，微流控在液滴形成方面具有突出優勢，微流控芯片技術結合超聲波、表面修飾和傳感器方法，主要應用于核酸和循環腫瘤細胞的分析。
圖7
微流控技術相關研究關鍵詞聚類圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N = 10%，不超過50，圖譜剪切方式采用尋徑網絡和對每個切片網絡進行裁剪，節點類型為關鍵詞
Figure7. Cluster graph of keywords of publications on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 50, pathfinder and purging the scliced networks were used to clip graph, and the node type was keywords
3 微流控技術應用領域
由于微流控流體體系慣性力、粘性阻力、界面張力和毛細力凸顯的特性，以及微流控裝置高度集成、精準可控等特點，近年來微流控芯片成為多學科交叉的平臺，廣泛應用于材料科學、生物醫學研究、體外診斷和藥物篩選與研發。
3.1 生物醫學研究
在生物醫學研究方面，微流控芯片的重要應用之一是構建器官芯片，利用微流控技術靈活的結構設計性和可控的微流體操控性等優勢，在微流控芯片上構建模擬人體組織或器官功能的仿生實驗室。基于微流控技術的器官芯片使生物模擬達到了全新的水平，給投入大、風險高、周期長的新藥研發以及生物醫學研究帶來了新的契機，其中單器官芯片主要應用于器官的生理和病理研究，多器官芯片主要應用于藥物代謝動力學研究[32]。
2015年哈佛大學Wyss生物工程研究所組建了Emulate人體器官芯片研究公司，推出了由器官芯片、儀器和軟件組成的人體仿真系統，覆蓋了腦、結腸、肝、肺、腎等多種器官，并積極與美國食品藥品監督管理局合作評估和鑒定器官芯片技術作為臨床前測試平臺的可能性，拓寬藥物研發臨床前模型范圍[33]。該研究所Ingber團隊[34]構建了由高度分化的人支氣管氣道上皮細胞和肺內皮細胞組成的微流控支氣管氣道芯片，能夠模擬病毒感染、菌株依賴性毒性，以及細胞因子的產生和循環免疫細胞的招募，應用于新型冠狀病毒治療藥物的快速鑒別和篩選。
Qin團隊[35]利用人類誘導多能干細胞構建類腦器官芯片，模擬產前尼古丁暴露下胎兒大腦神經發育情況。三維（three-dimensional，3D）培養的類腦器官表現出人類大腦發育早期階段的關鍵特征，包括神經分化、區域化和皮層組織，并可推廣應用于腦疾病研究和藥物檢測。針對器官芯片，如何實現組織或器官長期培養并保留病理或生理功能，構建血管循環系統以實現高度仿真模擬，以及集成陣列化多個實驗單元模擬組織-組織和多器官相互作用，仍是器官芯片發展面臨的挑戰[36]。
3.2 體外診斷
3.2.1 即時診斷
即時診斷（point-of-care testing，POCT）設備與試劑具有便攜化、簡單化、結果及時化的特點，能夠實現患者護理現場或床旁檢測，對于傳染性疾病的快速診斷、戶外現場診斷和家庭健康監測具有重要意義。微流控芯片憑借在微小可控的平臺對多種技術單元進行靈活組合與規模集成的優勢，成為即時診斷的主流技術。基于微流控技術成功商業化的典型產品包括Abaxis公司的Piccolo生化芯片檢測系統、雅培公司的i-STAT血氣分析儀和Cepheid公司的GeneXpert系列PCR分析儀。近年來，國內基于微流控免疫熒光法和磁微粒化學發光法等即時診斷產品相繼獲批上市。在便攜和快捷基礎上，基于微流控芯片的即時診斷主要研究焦點為發展特異性好與靈敏度高的快速檢測技術。在核酸檢測方面，環介導恒溫擴增技術（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）因其高靈敏度和無需梯度變溫的特點，仍是目前研究的熱點之一。Sun等[37]將基于微流控芯片環介導等溫擴增技術的核酸檢測系統與智能手機集成，使用馬呼吸道傳染病模型模擬COVID-9感染者，研究表明，該系統檢測含有病原體的馬鼻拭子的檢測限與常規聚合酶鏈式反應相似，結果可在30 min內獲得。
紙基微流控使用紙張作為基底，具有成本低、加工簡易、攜帶和使用快速便捷的特點，主要應用于快速診斷和環境監測，然而紙基微流控集成度低、技術參差不齊，近年來的研究焦點在于提高紙芯片的檢測精度與速度，并與智能化系統相結合。Chen等[38]設計了折疊、可滑動的三維表面修飾紙基分析設備，能夠實現多種試劑預儲存，該芯片對人免疫球蛋白G（HIgG）的檢出限可低至0.01 ng/mL，檢測時間縮短至7 min。Li等[39]在紙基微流控設備上，利用氧化鋅納米線直接生長在工作電極的方法提高基于電化學阻抗譜的生物傳感器性能，經過優化，芯片針對人類免疫缺陷病毒p24抗原的檢測限低至0.4 pg/mL。
3.2.2 核酸分析
在核酸分析方面，微流控芯片技術主要應用于實時熒光定量聚合酶鏈式反應（real-time polymerase chain reaction，RT-PCR）、數字PCR（digital PCR，dPCR）和單分子測序。其中，數字PCR[40]是基于單分子PCR方法的核酸分子絕對定量技術，可將核酸模板分散到大量的反應單元，每個單元不包含或者包含一個至數個拷貝DNA模板，擴增結束后對每個反應單元的陽性熒光信號進行統計學分析。DNA模板在反應單元的隨機和獨立分布是數字PCR實現高靈敏度和高精準度分析的關鍵因素，基于微流控陣列反應室或液滴技術的數字PCR能夠快速、準確地將稀釋后的核酸溶液分散到芯片的微反應器或液滴中，應用于復雜樣本的分析、拷貝數變異（copy number variation，CNV）分析。Bio-MarkTM超高通量基因分析系統（Fluidigm公司）和QuantStudioTM 3D數字PCR系統（Life Technologies公司）均是基于微流控芯片技術。其中QuantStudioTM 3D數字PCR系統具有20 000個反應孔，工作流程簡化，可用于稀有突變檢測、兩個靶點間的低倍數差異分析或樣本中精確的靶點計數。
3.2.3 液體活檢
在液體活檢方面，微流控技術廣泛應用于循環腫瘤細胞、外泌體的分離與純化和循環核酸的分析[41]，相比傳統方法，可以實現自動化操作，具有令人滿意的靈敏度和回收率。近年來外泌體的微流控檢測技術是基礎研究的熱點[42]，循環腫瘤細胞由于能夠更全面、更系統地反映腫瘤病灶物質信息變化，尤為受到關注。循環腫瘤細胞分析技術主要包括無標簽技術和免疫親和技術，其中無標簽技術基于大小、密度和介電性能等物理性質分離目標細胞，免疫親和技術則主要基于細胞表面特異性表達的蛋白標志物實現分離，如常用的免疫磁珠法利用癌細胞和磁珠上的共軛偶聯抗體相互作用，實現富集目標細胞[43]。相比物理原理，基于免疫親和的分離方法的回收率和純化度均較高。2018年CellRichTM免疫磁微粒捕獲儀獲批醫療器械二類注冊證上市，該設備采用微流控芯片技術及梯度磁場對免疫磁微粒復合物（細胞）進行特異性吸附，實現循環腫瘤細胞富集和染色鑒定。
近年來，由于上皮細胞-間充質轉化和外周血細胞的干擾，科學家不斷探索在少量和低豐度循環腫瘤細胞的體液中實現識別、高效捕獲并進行后續分析的方法。基于微流控技術的高效富集和單細胞分析檢測技術的集成應用被認為是未來循環腫瘤細胞分析的趨勢[44]。2017年Genomics公司推出基于微流控技術的10x Genomics Chromium單細胞捕獲系統，該產品通過微流控技術實現單細胞的分離，通過條形碼技術區分不同的細胞以及同一細胞中同一基因的不同轉錄本。2021年該公司又推出了高通量Chromium X系列，一次運行可分析數百到數十萬細胞，實現多樣本的同時檢測。
3.3 藥物篩選與遞送
在藥物研發領域，微流控芯片技術主要應用于藥物高通量篩選、藥物制劑的優化與制備[45]、毒性研究等，基于微流控構建的腫瘤模型和組織工程還可進行藥物代謝分析等研究[46]。在藥物制劑領域，微流控主要用于載藥微乳制劑和納米脂質體的制備，Miao等[47]利用微流控芯片構建三維多組分反應體系，制備并篩選了1 000多種脂質類材料用以遞送mRNA癌癥疫苗，研究表明具有不飽和尾聯、一個雙氫咪唑連接鍵和一個環胺頭部的脂類材料載mRNA具有最好的免疫抗腫瘤效果。在納米制劑結構與生物學效應研究方面，微流控獨特的流體技術，為制備結構可控、粒徑均一的納米載藥制劑提供了新的策略。
4 展望
2001年《Lab on a Chip》雜志創刊，成為引領微流控領域開展深入研究的主流雜志。近年來，微流控領域研究活躍，微流控技術在體外診斷、食品安全、生物醫學研究和藥物研發等方面發揮了重要作用。未來，簡化樣品制備程序，提升操作系統的自動化程度，以及滿足專業人員和非技術人員均可操作的需求是微流控設備研發的趨勢[48]。微流控涉及醫學、化學、物理學和電子學等多學科交叉，對研發人員綜合能力要求較高。我國是在微流控領域研究水平較高的國家之一，但在高端產品的產業化方面仍落后于歐美等國家，高精密芯片加工仍存在成本高、加工難的問題。為推動微流控高端產品產業化，需要加強以下幾個方面的布署：一是注重交叉學科人才培養；二是解決芯片質控問題，包括芯片的微加工、鍵合以及表面修飾等工藝；三是把握未來趨勢，提前著力深化微流控芯片產品與人工智能和互聯網的進一步融合，構筑特色長板；四是深化開放合作，推動研發設計等多領域合作，鼓勵行業龍頭企業整合國內外優質資源，布局全球發展，依托“一帶一路”建設，推動產品走出去。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：魏巍為綜述主要撰寫人，完成論文構思和文獻資料分析以及論文初稿的撰寫；武瑞君參與論文構思和論文修改；桑曉冬、梁天宇、李治非、李陟、楊陽參與數據收集和論文修改；蘇月參與論文構思、修改和審校。
引言
微流控（microfluidics）是在含有微米級通道的設備中精準處理和操控微小（1×10-9 ~ 1×10-10 L）流體涉及的科學和技術，可將多種技術單元組合在幾平方厘米的芯片上，亦被稱為“芯片實驗室”（lab on a chip）或“微全分析系統”（micro total analysis systems）。20世紀70年代至90年代，分析化學家將微納加工技術應用于芯片色譜和芯片毛細管電泳，提出微全分析系統（miniaturized total analysis system，μTAS）的概念[1]。2006年《Nature》雜志發表了一期有關“芯片實驗室”的專輯，從不同角度闡述了微流控芯片的應用前景[2-4]，開啟了微流控技術高速發展的15年。不同于宏觀流體，微流控微通道內流體的雷諾系數極低，呈現層流現象，流體的擴散動力學高度可控、可預測；重力作用減弱，表面張力和界面張力凸顯；毛細管力凸顯，允許液體逆重力運動。此外，根據應用需求，還可以通過調節微通道的形狀、長寬度等性質改變流體的力學性質。因此，微流控技術可以簡化復雜生物學研究，開展批量樣品篩選和處理，顯著減少分析樣品體積，提高研究的可預測性和可控性[5]。
基于上述優勢，研究人員將微流控技術應用于生命科學研究、醫學診斷、環境監測和藥物研究。在新型冠狀病毒肺炎疫情期間，微流控技術在體外診斷設備中發揮了重要作用，并具有重要市場應用前景。Research and Markets分析報告顯示，2020年全球微流控設備市場規模預計達到31億美元，預計2020年至2027年間我國微流控設備市場年復合增長率19.2%，到2027年，市場規模將達到19億美元[6]。
CiteSpace文獻可視化分析工具利用可視化手段呈現所分析研究領域的知識結構、分布和規律趨勢。通過對文獻的共現和共被引分析，呈現研究合作網絡和研究發展趨勢，篩選研究領域的重要研究成果[7-8]。本文旨在應用文獻可視化分析方法，呈現微流控技術發展趨勢和研究熱點，為微流控技術的研究與應用提供參考。
1 數據檢索與處理
文獻來源于Web of Science（Thomson Reuters，美國）的Web of Science核心集，檢索條件為microfluidic（主題）或 “lab on a chip”（主題）或 “micro total analysis systems”（主題）或 “miniaturized total analysis systems”（主題），檢索時間范圍為2006年1月1日至2021年12月31日，對納入的文獻精煉依據為：文獻類型為論文或綜述論文，語種為英語。
檢索獲得的微流控技術相關文獻記錄共50 129條。以純文本格式導出檢索結果的全記錄與引用的參考文獻，導入CiteSpace 5.8 R3軟件，時間分區設置為2006年1月1日至2021年12月31日，時間切片為2年。根據不同研究目的選擇分析節點，選擇國家（country）、機構（institution）、作者（author）節點，得到施引文獻的合作圖譜，用以分析社會關系和學術影響力；選擇關鍵詞（keyword）節點，得到關鍵詞共現圖譜，分析研究熱點和演進路徑；選擇文獻（reference）節點，得到被引文獻的共引圖譜，結合聚類結果，分析研究主題演變。根據模塊值（modularity，Q值）和平均輪廓值（silhouettes，S值）評估繪制的聚類網絡效果，其中Q值 > 0.3表示劃分的結構顯著，S值 > 0.5意味著聚類合理，S > 0.7表示聚類結果令人信服[8]。分析使用的中介中心性（centrality）衡量節點在結構中的重要性，突發性（burst）衡量節點在時間上的重要性。
2 數據分析
分析微流控技術領域近16年發表的文獻，主要分布于分析化學、納米科技和儀器及儀表等領域，2006年至2021年發文量呈現逐年遞增趨勢（見圖1）。
圖1
2006年至2021年微流控技術相關研究年度發文量
Figure1.
Annual number of publications on microfluidics from 2006 to 2021
2.1 國家、機構和作者可視化分析
用CiteSpace分析得到N（網絡節點數量） = 24、E（連線數量） = 121的國家合作圖譜（見圖2），得到N = 237、E = 668的機構合作圖譜（見圖3）。根據可視化分析結果，美國在發文量和中介中心性方面均排名第一（見表1）；德國也具有較高的發文量和國際合作網絡；相比韓國、德國和日本等國家，中國和美國在2014年后發文量較高。近年來，微流控研究在我國如雨后春筍般的開展可能與國家政策相關。2016年至2017年，我國出臺相關政策推進微流控領域科技創新，國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》提出體外診斷產品要突破微流控芯片等關鍵技術，科技部發布《“十三五”生物技術創新專項規劃》，將微流控芯片納入到新一代生物檢測技術中。
表1
微流控技術相關研究發文量及中介中心性排名前5位的 國家
Table1.
Top 5 countries in terms of number of publications and centrality on microfluidics
圖2
微流控技術相關研究國家合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N = 15，節點類型為國家
Figure2. National cooperation graph on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 15, and the node type was country
圖3
微流控技術相關研究機構合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N=10%，不超過100，圖譜剪切方式采用尋徑網絡和對每個切片網絡進行裁剪，節點類型為機構
Figure3. Collaboration graph of research institutions on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was institution
在研究機構方面，發文量和中介中心性排名前5位的機構主要位于美國、中國和日本，中國科學院、麻省理工學院和哈佛大學發文量較高，并且具有廣泛的合作網絡（見表2）。綜合發文量和中介中心性兩項排名，哈佛大學可認為是該領域的權威機構。
表2
微流控技術相關研究發文量及中介中心性排名前5位的 機構
Table2.
Top 5 research institutions in terms of number of publi cations and centrality on microfluidics
生成的作者合作圖譜（見圖4，N = 477，E = 662）顯示了微流控技術領域發文量較多的作者及其研究合作網絡。結合圖4和表3[5,9-20]，發文量排名前5位的作者中1位來自中國，3位來自美國，1位來自印度。發文量和中介中心性（0.21）排名均靠前的作者為美國哈佛大學David A. Weitz教授，是美國哈佛大學工程與應用科學學院教授，長期研究利用微流控設備精確控制流體制備單分散液滴模板，并利用液滴作為微反應器，實現少量流體高速率反應，還利用液滴制備其他方法難以合成的復雜結構顆粒，實現顆粒批量化生產，用于藥物包載、化妝品技術等方面[12-13]。2015年Weitz團隊[14]在《Cell》期刊發表了基于液滴微流控技術對胚胎干細胞進行單細胞RNA條碼標記的文章，截至2021年12月已被引用千余次。
表3
微流控技術相關研究發文量排名前5位的作者
Table3.
Top 5 authors in terms of number of publications on microfluidics
圖4
微流控技術相關研究作者合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N = 10%，不超過100，節點類型為作者
Figure4. Collaboration graph of authors on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 100, and the node type was author
2.2 關鍵文獻可視化分析
對文獻進行共被引分析，得到N = 518、E = 577的文獻共被引網絡圖譜（見圖5），分別統計被引頻次和中介中心性排名前5位的研究（見表4[2,5,21-27]），分析得到9篇關鍵節點文獻，均為綜述類文獻。2006年Whitesides[21]在《Nature》發表的綜述《The origins and the future of microfluidics》中介中心性最高（0.36），該文獻系統闡述了微流控發展歷史、當前發展情況及未來應用前景，指出微流控作為一個獨特的新領域，未來極有可能影響化學合成、生物分析和信息技術。2014年Sackmann等[5]在《Nature》發表的綜述《The present and future role of microfluidics in biomedical research》被引頻次最高，該文總結了微流控技術在生物醫學研究中的應用與發展前景，闡述了微流控技術在診斷、快速分離、器官芯片構建等方面的進展，提出微流控的商業化進程還有待開拓。
表4
微流控技術相關研究被引頻次和中介中心性排名前5位的關鍵節點文獻
Table4.
Top 5 key node references in citation frequency and centrality on microfluidics
圖5
微流控技術相關研究文獻共被引合作圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N=10%，不超過100，圖譜剪切方式采用尋徑網絡和對每個切片網絡進行裁剪，節點類型為文獻
Figure5. Co-citation cooperation graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was reference
對共現文獻進行聚類分析，得到S = 0.968 2、Q = 0.870 5的文獻聚類圖譜（見圖6），聚類結果顯示，微流控技術通過構建液滴微流控、數字微流控、紙基微流控平臺，主要應用于細胞培養、循環腫瘤細胞和細胞外囊泡分析。對文獻進行凸顯性分析（見表5[3,5,21-24,28-31]），可以判斷研究熱點。由文獻的凸顯年度可以看出，紙基微流控、數字微流控、即時診斷和器官芯片是近年來關注度較高的研究方向。
表5
微流控技術相關研究凸顯性強度排名前10位的文獻
Table5.
Top 10 references with the strongest citation bursts
圖6
微流控技術相關研究文獻共被引聚類圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置同圖5
Figure6. Co-citation cluster graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter settings were the same as Fig.5
2.3 關鍵詞可視化分析
用CiteSpace構建關鍵詞共現圖譜（N = 86，E = 219），排除chip、device、microfluidic device、system關鍵詞，得到關鍵詞共現圖譜后進行聚類分析，采用對數自然率算法，顯示前6個聚類，本次聚類S = 0.727 4，Q = 0.480 3，聚類結果較好（見圖7）。分析聚類結果，微流控在液滴形成方面具有突出優勢，微流控芯片技術結合超聲波、表面修飾和傳感器方法，主要應用于核酸和循環腫瘤細胞的分析。
圖7
微流控技術相關研究關鍵詞聚類圖譜
CiteSpace 5.8 R3軟件參數設置：選擇標準為TOP N = 10%，不超過50，圖譜剪切方式采用尋徑網絡和對每個切片網絡進行裁剪，節點類型為關鍵詞
Figure7. Cluster graph of keywords of publications on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 50, pathfinder and purging the scliced networks were used to clip graph, and the node type was keywords
3 微流控技術應用領域
由于微流控流體體系慣性力、粘性阻力、界面張力和毛細力凸顯的特性，以及微流控裝置高度集成、精準可控等特點，近年來微流控芯片成為多學科交叉的平臺，廣泛應用于材料科學、生物醫學研究、體外診斷和藥物篩選與研發。
3.1 生物醫學研究
在生物醫學研究方面，微流控芯片的重要應用之一是構建器官芯片，利用微流控技術靈活的結構設計性和可控的微流體操控性等優勢，在微流控芯片上構建模擬人體組織或器官功能的仿生實驗室。基于微流控技術的器官芯片使生物模擬達到了全新的水平，給投入大、風險高、周期長的新藥研發以及生物醫學研究帶來了新的契機，其中單器官芯片主要應用于器官的生理和病理研究，多器官芯片主要應用于藥物代謝動力學研究[32]。
2015年哈佛大學Wyss生物工程研究所組建了Emulate人體器官芯片研究公司，推出了由器官芯片、儀器和軟件組成的人體仿真系統，覆蓋了腦、結腸、肝、肺、腎等多種器官，并積極與美國食品藥品監督管理局合作評估和鑒定器官芯片技術作為臨床前測試平臺的可能性，拓寬藥物研發臨床前模型范圍[33]。該研究所Ingber團隊[34]構建了由高度分化的人支氣管氣道上皮細胞和肺內皮細胞組成的微流控支氣管氣道芯片，能夠模擬病毒感染、菌株依賴性毒性，以及細胞因子的產生和循環免疫細胞的招募，應用于新型冠狀病毒治療藥物的快速鑒別和篩選。
Qin團隊[35]利用人類誘導多能干細胞構建類腦器官芯片，模擬產前尼古丁暴露下胎兒大腦神經發育情況。三維（three-dimensional，3D）培養的類腦器官表現出人類大腦發育早期階段的關鍵特征，包括神經分化、區域化和皮層組織，并可推廣應用于腦疾病研究和藥物檢測。針對器官芯片，如何實現組織或器官長期培養并保留病理或生理功能，構建血管循環系統以實現高度仿真模擬，以及集成陣列化多個實驗單元模擬組織-組織和多器官相互作用，仍是器官芯片發展面臨的挑戰[36]。
3.2 體外診斷
3.2.1 即時診斷
即時診斷（point-of-care testing，POCT）設備與試劑具有便攜化、簡單化、結果及時化的特點，能夠實現患者護理現場或床旁檢測，對于傳染性疾病的快速診斷、戶外現場診斷和家庭健康監測具有重要意義。微流控芯片憑借在微小可控的平臺對多種技術單元進行靈活組合與規模集成的優勢，成為即時診斷的主流技術。基于微流控技術成功商業化的典型產品包括Abaxis公司的Piccolo生化芯片檢測系統、雅培公司的i-STAT血氣分析儀和Cepheid公司的GeneXpert系列PCR分析儀。近年來，國內基于微流控免疫熒光法和磁微粒化學發光法等即時診斷產品相繼獲批上市。在便攜和快捷基礎上，基于微流控芯片的即時診斷主要研究焦點為發展特異性好與靈敏度高的快速檢測技術。在核酸檢測方面，環介導恒溫擴增技術（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）因其高靈敏度和無需梯度變溫的特點，仍是目前研究的熱點之一。Sun等[37]將基于微流控芯片環介導等溫擴增技術的核酸檢測系統與智能手機集成，使用馬呼吸道傳染病模型模擬COVID-9感染者，研究表明，該系統檢測含有病原體的馬鼻拭子的檢測限與常規聚合酶鏈式反應相似，結果可在30 min內獲得。
紙基微流控使用紙張作為基底，具有成本低、加工簡易、攜帶和使用快速便捷的特點，主要應用于快速診斷和環境監測，然而紙基微流控集成度低、技術參差不齊，近年來的研究焦點在于提高紙芯片的檢測精度與速度，并與智能化系統相結合。Chen等[38]設計了折疊、可滑動的三維表面修飾紙基分析設備，能夠實現多種試劑預儲存，該芯片對人免疫球蛋白G（HIgG）的檢出限可低至0.01 ng/mL，檢測時間縮短至7 min。Li等[39]在紙基微流控設備上，利用氧化鋅納米線直接生長在工作電極的方法提高基于電化學阻抗譜的生物傳感器性能，經過優化，芯片針對人類免疫缺陷病毒p24抗原的檢測限低至0.4 pg/mL。
3.2.2 核酸分析
在核酸分析方面，微流控芯片技術主要應用于實時熒光定量聚合酶鏈式反應（real-time polymerase chain reaction，RT-PCR）、數字PCR（digital PCR，dPCR）和單分子測序。其中，數字PCR[40]是基于單分子PCR方法的核酸分子絕對定量技術，可將核酸模板分散到大量的反應單元，每個單元不包含或者包含一個至數個拷貝DNA模板，擴增結束后對每個反應單元的陽性熒光信號進行統計學分析。DNA模板在反應單元的隨機和獨立分布是數字PCR實現高靈敏度和高精準度分析的關鍵因素，基于微流控陣列反應室或液滴技術的數字PCR能夠快速、準確地將稀釋后的核酸溶液分散到芯片的微反應器或液滴中，應用于復雜樣本的分析、拷貝數變異（copy number variation，CNV）分析。Bio-MarkTM超高通量基因分析系統（Fluidigm公司）和QuantStudioTM 3D數字PCR系統（Life Technologies公司）均是基于微流控芯片技術。其中QuantStudioTM 3D數字PCR系統具有20 000個反應孔，工作流程簡化，可用于稀有突變檢測、兩個靶點間的低倍數差異分析或樣本中精確的靶點計數。
3.2.3 液體活檢
在液體活檢方面，微流控技術廣泛應用于循環腫瘤細胞、外泌體的分離與純化和循環核酸的分析[41]，相比傳統方法，可以實現自動化操作，具有令人滿意的靈敏度和回收率。近年來外泌體的微流控檢測技術是基礎研究的熱點[42]，循環腫瘤細胞由于能夠更全面、更系統地反映腫瘤病灶物質信息變化，尤為受到關注。循環腫瘤細胞分析技術主要包括無標簽技術和免疫親和技術，其中無標簽技術基于大小、密度和介電性能等物理性質分離目標細胞，免疫親和技術則主要基于細胞表面特異性表達的蛋白標志物實現分離，如常用的免疫磁珠法利用癌細胞和磁珠上的共軛偶聯抗體相互作用，實現富集目標細胞[43]。相比物理原理，基于免疫親和的分離方法的回收率和純化度均較高。2018年CellRichTM免疫磁微粒捕獲儀獲批醫療器械二類注冊證上市，該設備采用微流控芯片技術及梯度磁場對免疫磁微粒復合物（細胞）進行特異性吸附，實現循環腫瘤細胞富集和染色鑒定。
近年來，由于上皮細胞-間充質轉化和外周血細胞的干擾，科學家不斷探索在少量和低豐度循環腫瘤細胞的體液中實現識別、高效捕獲并進行后續分析的方法。基于微流控技術的高效富集和單細胞分析檢測技術的集成應用被認為是未來循環腫瘤細胞分析的趨勢[44]。2017年Genomics公司推出基于微流控技術的10x Genomics Chromium單細胞捕獲系統，該產品通過微流控技術實現單細胞的分離，通過條形碼技術區分不同的細胞以及同一細胞中同一基因的不同轉錄本。2021年該公司又推出了高通量Chromium X系列，一次運行可分析數百到數十萬細胞，實現多樣本的同時檢測。
3.3 藥物篩選與遞送
在藥物研發領域，微流控芯片技術主要應用于藥物高通量篩選、藥物制劑的優化與制備[45]、毒性研究等，基于微流控構建的腫瘤模型和組織工程還可進行藥物代謝分析等研究[46]。在藥物制劑領域，微流控主要用于載藥微乳制劑和納米脂質體的制備，Miao等[47]利用微流控芯片構建三維多組分反應體系，制備并篩選了1 000多種脂質類材料用以遞送mRNA癌癥疫苗，研究表明具有不飽和尾聯、一個雙氫咪唑連接鍵和一個環胺頭部的脂類材料載mRNA具有最好的免疫抗腫瘤效果。在納米制劑結構與生物學效應研究方面，微流控獨特的流體技術，為制備結構可控、粒徑均一的納米載藥制劑提供了新的策略。
4 展望
2001年《Lab on a Chip》雜志創刊，成為引領微流控領域開展深入研究的主流雜志。近年來，微流控領域研究活躍，微流控技術在體外診斷、食品安全、生物醫學研究和藥物研發等方面發揮了重要作用。未來，簡化樣品制備程序，提升操作系統的自動化程度，以及滿足專業人員和非技術人員均可操作的需求是微流控設備研發的趨勢[48]。微流控涉及醫學、化學、物理學和電子學等多學科交叉，對研發人員綜合能力要求較高。我國是在微流控領域研究水平較高的國家之一，但在高端產品的產業化方面仍落后于歐美等國家，高精密芯片加工仍存在成本高、加工難的問題。為推動微流控高端產品產業化，需要加強以下幾個方面的布署：一是注重交叉學科人才培養；二是解決芯片質控問題，包括芯片的微加工、鍵合以及表面修飾等工藝；三是把握未來趨勢，提前著力深化微流控芯片產品與人工智能和互聯網的進一步融合，構筑特色長板；四是深化開放合作，推動研發設計等多領域合作，鼓勵行業龍頭企業整合國內外優質資源，布局全球發展，依托“一帶一路”建設，推動產品走出去。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：魏巍為綜述主要撰寫人，完成論文構思和文獻資料分析以及論文初稿的撰寫；武瑞君參與論文構思和論文修改；桑曉冬、梁天宇、李治非、李陟、楊陽參與數據收集和論文修改；蘇月參與論文構思、修改和審校。
