微流控技術(shù)具有微量、高效、高通量、微型化、集成化、自動(dòng)化的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)化、低成本的臨床生化分析提供了一條可行的技術(shù)途徑。 針對(duì)于目前臨床生化分析中復(fù)雜流體操控的難點(diǎn)，該文依據(jù)系統(tǒng)中采用驅(qū)動(dòng)和控制方式的不同，對(duì)各種基于微流控技術(shù)的臨床生化分析系統(tǒng)進(jìn)行了分類(lèi)介紹。

臨床生化分析是基于分光光度法對(duì)血液、尿液等體液中血糖血脂、肝功、腎功、心肌酶譜等幾十項(xiàng)生化指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)的方法。 它是臨床體外診斷最為常用的方法之一，占據(jù)了體外診斷將近 ３０％ 的市場(chǎng)。 目前臨床生化分析的工作基本上在醫(yī)院中心檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室利用自動(dòng)生化分析儀開(kāi)展。 這些儀器需要自動(dòng)實(shí)現(xiàn)樣品預(yù)處理、量取、混合反應(yīng)、檢測(cè)、清洗等一系列復(fù)雜的分析操作步驟。 常規(guī)的臨床生化分析儀不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，造價(jià)高昂，而且需要專(zhuān)業(yè)的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)人員操作，所以一般應(yīng)用于大中型醫(yī)院，無(wú)法覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)或基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)。 基層醫(yī)療對(duì)臨床生化分析儀體型精巧、低成本、易操作的要求得不到滿(mǎn)足，是目前醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)領(lǐng)域亟待解決的難題。

微 流 控 技 術(shù)  起 源 于 １９９０ 年Ｍａｎｚ 提出的“微全分析系統(tǒng)”概念，其特點(diǎn)是通過(guò)操控 ｐＬ 至 μＬ 體積的微量流體，實(shí)現(xiàn)化學(xué)或生物分析中的各項(xiàng)操作。 微流控技術(shù)的出現(xiàn)為臨床生化分析的基層普及提供了一個(gè)具有良好前景的解決方案。 分析樣本和試劑消耗微量化，可有效降低分析成本，且大幅提高反應(yīng)的傳質(zhì)、傳熱能力，有助于實(shí)現(xiàn)高效反應(yīng)，縮短分析時(shí)間；此外，微流控分析系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)臨床分析儀器更易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成化和微型化，使其使用場(chǎng)合不再受限于大中型醫(yī)院，具有巨大的市場(chǎng)發(fā)展前景。 目前，基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)能開(kāi)展的生化分析工作仍然采用試紙條技術(shù)，它利用紙纖維的毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)樣品的流動(dòng)，使樣品與預(yù)先干化的試劑反應(yīng)顯色以獲得檢測(cè)結(jié)果，具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。 由于試紙條技術(shù)受制于簡(jiǎn)單的流體操控能力和有限的定量檢測(cè)能力，故其應(yīng)用只限于血糖、膽固醇、蛋白質(zhì)等指標(biāo)的檢測(cè)，無(wú)法滿(mǎn)足臨床生化分析的多指標(biāo)和高精度需求。

單項(xiàng)指標(biāo)的臨床生化分析一般需要實(shí)現(xiàn)樣品預(yù)處理、量取、混合反應(yīng)、檢測(cè)、清洗等一系列精準(zhǔn)復(fù)雜的操作步驟，更具挑戰(zhàn)的是多數(shù)疾病的臨床診斷需要同時(shí)檢測(cè)不同指標(biāo)，因此，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多步串行流體操控和多指標(biāo)并行分析是臨床生化分析自動(dòng)化的難點(diǎn)所在。 微流控體系中所需操控的流體體積往往是nl級(jí)，甚至pl級(jí)水平，不同于一般宏觀流體，這些微流體帶有明顯的尺度效應(yīng)。 隨著流體體積的減小，在宏觀狀態(tài)下占主導(dǎo)地位的重力和阻力可以忽略不計(jì)，但是微流體陡增的比表面積大大增強(qiáng)了表面張力等表面效應(yīng)。 同時(shí)，微流體存在的層流效應(yīng)也加大了流體的混合難度。 液體操控方式是決定一個(gè)微流控分析系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，貫穿于從樣品前處理到最終結(jié)果檢測(cè)整個(gè)分析過(guò)程的始終。 因此本文根據(jù)不同微流體的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)當(dāng)前微流控生化分析系統(tǒng)進(jìn)行了分類(lèi)介紹。

目前已報(bào)道的應(yīng)用于微流控生化分析系統(tǒng)的常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)方式包括離心驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、壓力驅(qū)動(dòng)、毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)，除此之外還包括磁驅(qū)動(dòng)、熱毛細(xì)遷移、聲波驅(qū)動(dòng)等多種形式的驅(qū)動(dòng)方式。 基于前4種常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)和控制方式，本文對(duì)各種基于微流控技術(shù)的臨床生化分析系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)介紹。

微流控生化分析系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式

離心驅(qū)動(dòng)技術(shù)

離心驅(qū)動(dòng)技術(shù)是通過(guò)芯片做圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心作用以驅(qū)動(dòng)流體的技術(shù)。 離心驅(qū)動(dòng)微流控分析系統(tǒng)通常包含圓盤(pán)形離心芯片、電機(jī)和檢測(cè)裝置。 試劑和樣品需預(yù)先存儲(chǔ)于芯片上，通過(guò)在液體通道特定位置加工憎水區(qū)域或魚(yú)骨狀通道微結(jié)構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)突破閥的功能。 分析過(guò)程中隨著芯片的加速旋轉(zhuǎn)，距離芯片圓心最遠(yuǎn)的溶液首先通過(guò)突破閥進(jìn)入分析腔室，因此通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可操控不同試劑依次進(jìn)入分析腔室，實(shí)現(xiàn)混合、反應(yīng)及檢測(cè)。 離心驅(qū)動(dòng)分析系統(tǒng)解決了微泵系統(tǒng)難以加工和集成的問(wèn)題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可在芯片上設(shè)計(jì)多個(gè)并行分析單元來(lái)提高分析通量，由單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成了并行分析單元的離心芯片就可實(shí)現(xiàn)微流控分析系統(tǒng)的高通量 化。 目 前， 離 心 芯 片 已 廣 泛 應(yīng) 用 于 核 酸 分析、蛋白質(zhì)分析、小分子分析、細(xì)胞分析等多種不同的分析應(yīng)用中。

圖 １ （ａ）離心芯片單一分析單元的通道結(jié)構(gòu)、（ｂ）分析單元在離心芯片上的布局和（ｃ）離心芯片實(shí)物照片

Ｓｔｅｉｇｅｒｔ 等報(bào)道了一種用于全血中酒精濃度檢測(cè)的離心芯片。 芯片結(jié)構(gòu)如圖 ２ 所示，芯片集成了一個(gè)用于全血量取和血漿分離的腔室，該腔室連接了血液入口、溢流口和血清出口。 血液樣品從入口經(jīng)離心進(jìn)入分離室后多余血液經(jīng)溢流口排出，可實(shí)現(xiàn)樣品的定量量取。 提高離心轉(zhuǎn)速，可使保留的血液在離心作用下實(shí)現(xiàn)血細(xì)胞和血漿的分離，分離得到的血漿經(jīng)血清出口虹吸流出，最終經(jīng)離心進(jìn)入檢測(cè)池與同時(shí)到達(dá)的試劑發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在芯片平面內(nèi)由吸收光度檢測(cè)器檢測(cè)。 該系統(tǒng)成功應(yīng)用于全血中酒精濃度的檢測(cè)，整個(gè)分析流程在150s內(nèi)自動(dòng)完成。

圖 ２ 用于血漿提取和光學(xué)檢測(cè)的離心芯片結(jié)構(gòu)示意圖

Ｎｗａｎｋｉｒｅ 等報(bào)道了一種基于 ＰＭＭＡ 材料的肝功能篩查離心芯片，可以同時(shí)檢測(cè)白蛋白、堿性磷酸酶、γ?谷氨酰轉(zhuǎn)移酶、總膽紅素和直接膽紅素等5種指標(biāo)。 芯片結(jié)構(gòu)如圖 ３ 所示，首先將待測(cè)血液加入到中間儲(chǔ)液池中，以2000r／min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)5min將血液分離，然后將轉(zhuǎn)速降至1000r／min，將待測(cè)樣品分配至各裝有試劑的儲(chǔ)液池中，再以2500r／min和1000r／min的轉(zhuǎn)速反向交替旋轉(zhuǎn)15min，將血清和各試劑混勻并反應(yīng)。 最終反應(yīng)產(chǎn)物由垂直方向的吸收光度檢測(cè)器檢測(cè)。 該離心平臺(tái)目前已用于南非的疾病現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，為資源貧乏地區(qū)提供了即時(shí)有效的檢測(cè)手段。

圖 ３ 肝功能篩查離心芯片結(jié)構(gòu)及其流體操作過(guò)程

Ｋｕｏ 等發(fā)展了一種用于血液肌酐檢測(cè)的離心芯片。 該芯片通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)的速度，可精確分離出生化檢測(cè)所需的血清。 芯片示意圖如圖 ４ 所示，工作時(shí)首先依靠離心力驅(qū)動(dòng)全血通過(guò)長(zhǎng)度為8ｍｍ的直通道，接著進(jìn)入后部半徑為10mm的圓弧形通道，血細(xì)胞靠向圓弧通道外側(cè)，最終進(jìn)入血細(xì)胞液池，而血漿則繼續(xù)靠圓弧通道內(nèi)側(cè)進(jìn)入下一液池，由此完成血漿與全血分離。 然后進(jìn)一步通過(guò)離心作用將血漿分成兩個(gè)等體積的部分，流入檢測(cè)室進(jìn)行肌酸酐的比色檢測(cè)。 該芯片對(duì)于血細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)為６％ 的血液樣品，可在6s內(nèi)獲得 96% 的分離效率。通過(guò)適當(dāng)控制盤(pán)旋轉(zhuǎn)速，可以精確地控制流入檢測(cè)室中樣品的體積，具有定量液體量取的能力。 該芯片制作成本低，工技藝術(shù)簡(jiǎn)單，且樣品消耗低。

圖 ４ 用于全血中肌酐分析的離心芯片

論文鏈接 doi: 10.3724/SP.J.1123.2019.05006   以傳播知識(shí)、有益學(xué)習(xí)和研究為宗旨。 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除。