微流控芯片行业研究

微流控芯片行业研究

微流控芯片概况

01微流控芯片的定义

微流控的“微”是指实验仪器设备的微型化（尺寸为数十到数百微米）；“流”是指实验对象属于流体（体积为纳升到阿升）；“控”代表着在微型化设备上对流体的控制、操作和处理。它属于一种底层技术，交织着化学、流体物理、微电子、新材料等多门学科知识，从理论上说任何流体参与的实验，都应有微流控技术的一席之地。

微流控芯片（Microfluidic Chip），又称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)，是微流控技术的下游应用单元，是指把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。具体来说，通过MEMS技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，从而实现对无机离子、有机物质、蛋白质、核酸以及其他特定目标对象的快速、准确的处理和检测。它将需要在实验室进行的样品处理、生化反应和结果检测等关键步骤都汇聚到了一张小小的芯片上进行，故又被业界誉为“芯片实验室”。

由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

02微流控芯片的发展历史

上世纪50年代末，美国诺贝尔物理学奖得主Richard Feynman教授预见未来的制造技术将沿着从大到小的途径发展，他在1959年使用半导体材料将实验用的机械系统微型化，从而造就了世界上首个微型电子机械系统（Micro-electro-mechanical Systems，MEMS），这成为了未来微流控技术问世的基石。

从微流控的定义上来讲，真正微流控技术的问世是在1990年。瑞士Ciba-Geigy公司的Manz 与Widmer应用MEMS技术在一块微型芯片上实现了此前一直需要在毛细管内才能完成的电泳分离，首次提出了微全分析系统（Micro-Total Analytical System，ì-TAS）即我们现在熟知的微流控芯片。

1994年，美国橡树岭国家实验室的研究人员Mike Ramsey在Manz与Widmer的原有研究基础上，改进了芯片毛细管电泳进样方法，提高了其性能。同年，世界首届国际微全分析系统学术会议在荷兰Enschede举行，微流控芯片全面进入大众视野。

1995年，全球首家专门从事微流控芯片技术的公司—Caliper Life Sciences在美国马萨诸塞州成立。

1999年世界首台微流控芯片商品化仪器-毛细管电泳微芯片由安捷伦公司和Galiper公司联合推出，被应用于生物分析和临床分析领域。

中国打响打响微流控赛道第一枪的是《Lab on a Chip（芯片实验室）》。该刊创建于2001年，专门用于收录微流控技术研究类文章。一年后，中国迎来了首次以微流控为主题的学术会议，即北京举办的首届全国微全分析系统会议，实现微流控芯片大规模集成。

03微流控芯片的技术优势

微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统。

04微流控芯片技术详解

4.1 微流控芯片的技术原理

微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵。电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量分析。

4.2 微流控芯片的基质材料

到目前为止，制作微流控芯片的材料主要有：硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸。合适的材料对于制作工艺选择和微流控芯片的成功应用非常重要。

05微流控芯片的应用领域

原则上，微流控芯片可以用于各个分析领域，如生物医学、新药物的合成与筛选、以及食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等其他重要应用领域。目前的应用重点主要集中于在生物医学领域：核酸分离和定量、DNA测序、基因突变和基因差异表达分析、蛋白质的筛分等。

贰

微流控芯片行业发展现状

01国全球微流控破百亿，器官芯片主导

根据Yole分析师最新数据统计显示，2018年全球微流控产品市场规模达到87亿美元，2019-2024年期间的复合年增长率高达11.7%，预计2024年将达到174亿美元。两项主要应用为：（1）即时检测（POCT）；（2）制药/生命科学研究（包括测序、基因组学和蛋白质组学）。不过，其它微流控应用也在不断发展。

据麦姆斯咨询介绍，2016年-2018年期间器官芯片市场增长了4倍（从750万美元增至2960万美元），而2018年-2024年期间的复合年增长率（CAGR）预计将高达35.3%。

02国内增量空间大，上市周期短

目前来讲，微流控的最大的产业化场景还是在于体外诊断。虽然基于微流控技术的复杂诊断测试市场主要由国外的公司主导，但由于中国厂商在性能方面提出了吸引人且创新的解决方案，以及在价格方面也更有优势，国产微流控厂商的市场份额在近几年及将来将保持着远高于全球的增长速度。

2015年，我国微流控芯片行业市场规模达到25.7亿元，比2014年同比增长8.2%。2015年，我国微流控芯片行业产量达到692.45万个，比2014年同比增长8.7%；需求量达到717.56万个，

比2014年同比增长8.4%。

根据Yole的调研，预估中国厂商的微流控产品销售额将从2017年的1.71亿美元增长至2023年的7.541亿美元，复合年增长率高达28%，而此间全球微流控市场的增长率稳定在18%左右。且新兴中国微流控厂商的产品上市周期更短。

03产品多样化，厂商区域特征明显

中国的微流控芯片供应链与国外相比仍然存在差距，尤其是玻璃和硅基微流控芯片。部分中国诊断公司选择内部生产微流控芯片，并将其运用在产品中，而其它公司仍然更愿意与国外的微流控装置制造商合作。通过这种方式，它们能够集成更高质量的芯片，同时仍然能够以比国际巨头更低的价格提供产品。由中国微流控工业协会的统计数据来看，截至2018年中国的微流控企业主要分布于东部及经济发达地区，尤以长三角、珠三角为最。