高密度集成的微流控芯片裝置可以實現高通量并行化的實驗以及多種操作單元的功能一體化，作為一種新的方法學平臺，已經越來越多地應用于化學和生命科學的研究中。單元操作主要包括進樣、樣品處理、混合、反應及分離等。

一、進樣及樣品前處理單元

利用芯片平臺處理樣品，需要將樣品引入芯片的樣品處理通道或通道網絡，該步驟通常稱為進樣。進樣通常又可分為上樣和取樣兩個步驟。芯片實驗室處理的對象是流體，液態樣品進樣是芯片進樣的主流，實際操作中主要有向樣品處理通道內引入樣品區帶、引入樣品液滴和引入持續樣品流3種情形。區帶進樣又分為單通道輔助進樣、多通道輔助進樣和激光輔助進樣。

在常規操作中，樣品往往需要預處理，再引入其它操作單元。將這些預處理操作移植到芯片上，可使芯片具有直接處理實際樣品的能力。減小耗樣量是使芯片實驗室實現實用化和產業化的必要條件。芯片樣品預處理操作往往涉及多種試劑、多個步驟和復雜微通道網絡，芯片樣品預處理單元同時要與外部樣品源和后續樣品處理單元偶聯。 因此，芯片樣品預處理具有技術含量高、操作難度大等特點，但蘊含的技術增長點多。常見的芯片預處理操作有萃取、過濾、膜分離、等速電泳和場放大堆積等，其中固相萃取的富集倍數有時可達103，并且較易在芯片上實現， 是芯片平臺上最重要的樣品處理技術之一。

二、微混合和微反應單元

混合是一個物理過程，其目的是實現參與過程的不同組分的均一分布。溶質混合有兩種機理：一種為對流傳質，另一種為擴散傳質。微芯片混合技術具有以下特點：① 混合效率高，時間短，能耗少；② 易于控制，傳質及傳熱性能好；③ 設備結構簡單，容易與其它功能單元集成。根據輸入能量的不同，將微混合器分為被動式和主動式兩類。被動式微混合器單純地利用幾何形狀或流體特性產生混合效果，除驅動流體流動的壓力、電滲驅動等，混合不借助于其它外力，混合器中也不含任何可移動部件，由此又可分為并行迭片、串聯迭片、混沌對流和液滴微混合器等。而主動式微混合器則借助磁力、電場力及聲場等外力實現混合。

微芯片反應技術是一種將微結構的內在優勢應用到化學反應過程的技術，體現這種技術的設備或器件被稱為微反應器。微反應器是一種單元反應界面尺度為微米量級的微型化學反應系統。它的基本特征是線性尺寸小、物理量梯度高、表面積/體積比大以及流動為低雷諾數層流，其優點是可通過并行單元來實現柔性生產、規模放大、快速和高通量篩選等，與常規反應器相比，微流控芯片反應器傳質傳熱較快，反應條件（如溫度、pH值等）易控制。如正電子發射斷層掃描診斷中重要的放射性顯像藥物18氟-2-脫氧葡萄糖的半衰期為110 min，其常規合成需由訓練有素的工作人員使用特殊設備花費幾十分鐘。采用集成大量微閥和微泵的微流控芯片（圖1），將合成中的氟化物富集、脫水、標記、脫乙腈、水解五步反應高度集成在微流控芯片上，使合成僅需14 min，產物可直接注射入小鼠體內，從而得到腫瘤分布的清晰圖像。

圖1. 放射性藥物合成所用微芯片示意圖[9]

三、微分離單元

 早期的微流控芯片是一種集成化的微分離器件，在芯片上進行電泳的研究仍然是微流控領域的主流之一，而電泳分離占有極為特殊的地位。需要強調的是，微流控芯片所涉及的分離只是芯片眾多功能操作單元中的一種，盡管很多時候它還會被單獨使用。

介電泳技術可作為前置過濾（或分離）技術，集成在其它檢測系統中來提高檢測的靈敏度。Lapizco-Encinas等采用傳統的刻燭微加工方法，在玻璃片上加工出多個絕緣柱，利用絕緣直流介電泳同時實現活體和死亡細菌的富集以及分離。由于經加熱致死的大腸桿菌的電導率比活體大腸桿菌大，受到的負介電泳力則較小，因此通過施加不同的電壓，可首先實現活體大腸桿菌的捕集。隨著電壓的增加，可繼而捕集死亡的大腸桿菌。該系統可實現樣品高達3000倍富集，分離效率為100%。Pysher和Hayes在PDMS微流控芯片上加工出尺寸規律變化的鋸齒狀微結構。當在通道兩端施加直流電后，會在鋸齒處產生不均勻電場，電場強度在樣品流動方向上規律性變化。該結構設計可同時使樣品受三種電動力的作用：電泳力、電滲流拖拽力和介電泳力。當這三個力在生物體運動方向平衡時，生物體就會被捕集在鋸齒附近；當介電泳力較小時，生物體則會在電泳和電滲流作用下隨溶液流走。由于同樣電場強度條件下，活體生物與死亡的生物體因所受介電泳力不同，從而實現在通道的不同位置分別收集活體和死亡的枯草桿菌、大腸桿菌和表皮葡萄球菌（S.epidermidis）。

介電泳技術實現了細菌和病毒的分離和定量研究。Balasubramanian采用微流控芯片裝置，實現了自來水中目標細菌的捕集。該研究使用大腸打菌、沙門氏菌（Salmonella）和海洋細菌（Pseudomonas sp）以及兩種病毒來評價裝置的工作性能。研究結果表明：在電場強度分別為67 V/cm和 84V/cm條件下，可分別得到90%和99%的捕集效率。

   Cheng報道了基于三維AC-DEP和表面增強拉曼散射技術原理的病原體檢測微流體芯片裝置。該裝置集樣品過濾、聚焦、分選、捕集和檢測功能于一體，可同時實現多種病原體的檢測。在通道最左端布設多條平行電極，用以濾除受正向介電泳力的雜質顆粒，而受負向介電泳力的顆粒則順利流向樣品聚焦區域。在聚焦區域，電極布設成錐形，顆粒在負向介電泳力的作用下，被聚焦在通道的中心；在樣品分選區域有三個傾斜的電極，用以引導顆粒進入不同的分選通道。在各個分選通道末端設有電極，用于濃縮樣品。研究者釆用該芯片裝置成功實現了乳酸桿菌（Lactobacillus）和大腸桿菌混合樣品的分離以及Gram-(+) S. aureus和Gram-(-) P. aeruginosa的區分檢測。

       基于Sanger末端中止法的陣列毛細管電泳是第一代DNA測序儀所采用的主流技術。基于微流控芯片大規模集成的特點，加州大學伯克利分校的Mathies等設計了一種96通道微陣列電泳微流控芯片，使高通量的DNA 測序第一次得以在微流控芯片上實現。該芯片采用了轉角蜿蜒設計，有效分離管道的長度16cm，增加了一次電泳分析的可讀片斷長度，極大地提高了分析的通量。

      美國哈佛醫學院的Toner課題組在微流控芯片上從未經任何處理的全血中分離出了循環腫瘤細胞（circulating tumor cell）。該芯片采用硅基片，加工出了密集的微立柱，用表面化學的方法在硅基片上修飾了腫瘤細胞抗體EpCAM。當全血流經芯片時，由于細胞與基底的結合力使循環腫瘤細胞被分離出來以便進一步檢測。他們用該芯片成功地從117例患有前列腺癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌、結腸癌的患者的全血中分離檢測到了116 例樣品中的循環腫瘤細胞，檢出率達到99%。

      密西根大學的Takayama實驗室提出了一種在微流控芯片上簡單分離有活力精子的方法。該方法利用微通道中流體所特有的層流的性質，在Y 形分叉的一個分支中加入精子樣品，在另一個分支添加緩沖溶液。由于層流作用，這兩股流體在通過合并管道后，除少量擴散外不會有其他因素促進混合，因此絕大多數沒有活力的精子細胞會平直地流出，而有活力的精子由于自身的游動會從原有的流層中游出，“主動擴散”到相鄰的緩沖液層。該芯片構造極為簡單，無須外界注射泵等外源能量的介入，利用表面張力和重力將待測樣品從入口一端泵到出口，而有活力的精子在出口有效富集（圖2）。

圖2. 活力精子細胞分選的原理示意圖