1、背景介紹
微流控芯片技術也稱為芯片實驗室（Lab-on-a-chip），是通過生物學、化學、醫(yī)學、電子、材料、機械等多學科交叉，將分子生物學、化學分析、醫(yī)學等領域所涉及的樣品前處理、分離及檢測等過程集成到幾平方厘米的芯片上， 從而實現(xiàn)從樣品前處理到后續(xù)分析的微型化、自動化、集成化和便攜化的技術，具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體積小和便于攜帶等優(yōu)點，已在多個領域得到應用[1]，2003 年《福布斯》雜志把這項技術評為 “影響人類未來 15 件最重要發(fā)明之一”。
2、微流控芯片簡介 微流控技術是一種以在微納米尺度空間中對流體進行操控為主要特征的科學技術，它能將生化實驗室的樣品制備、反應、分離和檢測等基本功能縮微到便攜式微小芯片上，實現(xiàn)多種單元技術在整體可控的微小平臺上的靈活組合、規(guī)模集成，其典型結構及基本原理如下圖所示。微流控是一個涉及了工程學、物理學、化學、微加工和生物工程等多個領域的新興交叉學科[2]。 3、微流控芯片的應用 上世紀90年代初，A.Manz等人采用芯片實現(xiàn)了此前一直在毛細管內(nèi)完成的電泳分離，顯示了它作為一種分析化學工具的潛力；90年代中期，美國國防部提出對士兵個體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究；在整個90年代，微流控芯片更多的被認為是一種分析化學平臺，因此往往和“微全分析系統(tǒng)”（Micro Total Analysis System, u-TAS）概念混用。因此，原則上，微流控芯片作為一種“微全分析”技術平臺可以應用于各個分析領域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學、軍事科學和航天科學等重要應用領域，其中生物醫(yī)學分析是熱點。 因微流控芯片技術易于實現(xiàn)集成化及自動化，可去除繁瑣的手工操作并降低污染幾率；同時其高通量性質(zhì)，可在一個芯片上同時進行多個平行檢測，為臨床多種疾病的輔助診斷創(chuàng)造了可能。而且這個微型分析平臺具有較低制造成本和較小體積，方便攜帶，運用該平臺，無需將標本送至中心實驗室，便能讓醫(yī)務工作者在資源匱乏的醫(yī)療環(huán)境下快速完成檢測，完美符合POCT診斷需求。因此，微流控技術成為了各大POCT領域廠商的研究熱點。 4、微流控芯片的主要材料 制作微流控芯片的常見材料包括聚合物、無機物和紙張，這些材料各有利弊。聚合物因其良好的生化性能等原因被廣泛應用于微流控芯片的制備，其中運用最廣泛的材料是PDMS[3]。 微流控芯片常用的無機材料是硅和玻璃。硅應用于微流控芯片的優(yōu)勢在于它優(yōu)越的導熱性能，耐腐蝕且能與多種試劑兼容。而它最大的缺點在于不透明，無法直接進行光學檢測。玻璃具有硅材料的優(yōu)點的同時，還彌補了硅材料不透明的缺陷。同時具有耐高壓的特性。但玻璃微流控芯片的制作成本高，是限制其應用的主要原因[4]。 紙基微流控芯片是近年新興的課題。紙是一種非常便宜的原材料，兼具輕薄，易儲存、運輸，便攜和環(huán)保等優(yōu)勢。但在目前紙張上制作微流道需要使用精密的設備，加工效率低，難度較大。相對于上述幾種材料，紙基芯片的精確度相對較差，不適合用于實驗室精確測量，目前的研究也大多將其用于定性或粗定量的快速診斷[5]。 5、微流控芯片技術優(yōu)勢總結 1、樣品和試劑消耗少，成本降低。使用非常少的樣本和試劑做出高精度和高敏感度的分離和檢測，降低檢測費用，縮短分析時間。 2、具有高通量特點。微流控可以設計成為多流道，通過微流道網(wǎng)絡可以同時將待檢測樣本分流到多個反應單位，同時反應單元之間相互隔離，使各個反應互不干擾，因此可以根據(jù)需要對同一個樣本平行進行多個項目的檢測。 3、污染少，檢測誤差小。由于微流控芯片的集成功能，原先在實驗室里需要人工完成的各項操作全部集成到芯片上自動完成，使樣本的污染降低到最低程度。 4、集成結構小巧、便攜。將傳統(tǒng)醫(yī)學檢測所需的離心、過濾、混合、反應和檢測等功能整合在微型芯片上，通過標準化封裝制備小體積的便攜式檢測設備，能夠隨身攜帶、快速檢測。 5、降低了對專業(yè)醫(yī)護人員的依賴性。衛(wèi)生設施有限的偏遠地區(qū)不具備醫(yī)學檢測條件，特別是在流行病暴發(fā)時，能夠降低對檢測設備的依賴，實現(xiàn)實時、實地快速檢測。 6、總結與展望 微流控檢測技術的發(fā)展有效促進了現(xiàn)場、即時檢測和精準、個性化醫(yī)療的發(fā)展，大大降低了醫(yī)學檢測對設備和專業(yè)人員素質(zhì)的依賴。微流控芯片技術的最大產(chǎn)業(yè)化場景是體外診 斷，隨著互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療概念的提出和部署，智能化醫(yī)療檢測終端，特別是即時診斷設備具有廣闊的市場空間。在此背景下，基于微流控芯片技術的檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)工作流程的自動化，同時更能確保品質(zhì)和生產(chǎn)的一致性，很好地滿足互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療發(fā)展對智能化醫(yī)療檢測終端的需求。 中國對微流控芯片的研究工作始于1990年代后期，研究處于初期階段。大多數(shù)高端醫(yī)用微流控芯片依賴進口。目前，微流控芯片研究的主流已從平臺構建和方法轉(zhuǎn)向不同領域的應用。未來十年、二十年內(nèi)，微流控芯片注定成為一種被深度產(chǎn)業(yè)化的科學技術，世界范圍內(nèi)的微流控芯片的科學研究及產(chǎn)業(yè)競爭也將日趨激烈。相信在不遠的未來，中國的企業(yè)一定會迎頭趕上，在微流控芯片領域取得一席之地！ 參考文獻 [1]Schaerli Y，Wootton RC，Robinson T，et al. Continuous -flow polymerase chain reaction of single-copy DNA in microfluidic microdroplets[J].Anal Chem，2009，81（1）：302-306. [2]司朝霞, 韓文. 應用于血液檢測的微流控芯片制造工藝及應用研究現(xiàn)狀[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2021, 42(2):6. [3]Hwang Y, Candler RN. Nonplanar PDMS microfluidic channels and actuators: a review[J]. Lab Chip, 2017, 17(23):39483959. DOI: 10.1039/c7lc00523g. [4]Butkut? A, Jonu?auskas L. 3D Manufacturing of glass microstructures using femtosecond laser[J]. Micromachines (Basel), 2021, 12(5): 499. DOI: 10.3390/ mi12050499. [5]Chinnadayyala SR, Park J, Le H, et al. Recent advances in microfluidic paperbased electrochemiluminescence analytical devices for pointofcare testing applications[J]. Biosens Bioelectron, 2019, 126: 6881. DOI: 10.1016/j. bios.2018.10.038.
