1、背景介绍
微流控芯片技术也称为芯片实验室（Lab-on-a-chip），是通过生物学、化学、医学、电子、材料、机械等多学科交叉，将分子生物学、化学分析、医学等领域所涉及的样品前处理、分离及检测等过程集成到几平方厘米的芯片上， 从而实现从样品前处理到后续分析的微型化、自动化、集成化和便携化的技术，具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体积小和便于携带等优点，已在多个领域得到应用[1]，2003 年《福布斯》杂志把这项技术评为 “影响人类未来 15 件最重要发明之一”。
2、微流控芯片简介 微流控技术是一种以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，它能将生化实验室的样品制备、反应、分离和检测等基本功能缩微到便携式微小芯片上，实现多种单元技术在整体可控的微小平台上的灵活组合、规模集成，其典型结构及基本原理如下图所示。微流控是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等多个领域的新兴交叉学科[2]。 3、微流控芯片的应用 上世纪90年代初，A.Manz等人采用芯片实现了此前一直在毛细管内完成的电泳分离，显示了它作为一种分析化学工具的潜力；90年代中期，美国国防部提出对士兵个体生化自检装备的手提化需求催生了世界范围内微流控芯片的研究；在整个90年代，微流控芯片更多的被认为是一种分析化学平台，因此往往和“微全分析系统”（Micro Total Analysis System, u-TAS）概念混用。因此，原则上，微流控芯片作为一种“微全分析”技术平台可以应用于各个分析领域，如生化医疗诊断、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重要应用领域，其中生物医学分析是热点。 因微流控芯片技术易于实现集成化及自动化，可去除繁琐的手工操作并降低污染几率；同时其高通量性质，可在一个芯片上同时进行多个平行检测，为临床多种疾病的辅助诊断创造了可能。而且这个微型分析平台具有较低制造成本和较小体积，方便携带，运用该平台，无需将标本送至中心实验室，便能让医务工作者在资源匮乏的医疗环境下快速完成检测，完美符合POCT诊断需求。因此，微流控技术成为了各大POCT领域厂商的研究热点。 4、微流控芯片的主要材料 制作微流控芯片的常见材料包括聚合物、无机物和纸张，这些材料各有利弊。聚合物因其良好的生化性能等原因被广泛应用于微流控芯片的制备，其中运用最广泛的材料是PDMS[3]。 微流控芯片常用的无机材料是硅和玻璃。硅应用于微流控芯片的优势在于它优越的导热性能，耐腐蚀且能与多种试剂兼容。而它最大的缺点在于不透明，无法直接进行光学检测。玻璃具有硅材料的优点的同时，还弥补了硅材料不透明的缺陷。同时具有耐高压的特性。但玻璃微流控芯片的制作成本高，是限制其应用的主要原因[4]。 纸基微流控芯片是近年新兴的课题。纸是一种非常便宜的原材料，兼具轻薄，易储存、运输，便携和环保等优势。但在目前纸张上制作微流道需要使用精密的设备，加工效率低，难度较大。相对于上述几种材料，纸基芯片的精确度相对较差，不适合用于实验室精确测量，目前的研究也大多将其用于定性或粗定量的快速诊断[5]。 5、微流控芯片技术优势总结 1、样品和试剂消耗少，成本降低。使用非常少的样本和试剂做出高精度和高敏感度的分离和检测，降低检测费用，缩短分析时间。 2、具有高通量特点。微流控可以设计成为多流道，通过微流道网络可以同时将待检测样本分流到多个反应单位，同时反应单元之间相互隔离，使各个反应互不干扰，因此可以根据需要对同一个样本平行进行多个项目的检测。 3、污染少，检测误差小。由于微流控芯片的集成功能，原先在实验室里需要人工完成的各项操作全部集成到芯片上自动完成，使样本的污染降低到最低程度。 4、集成结构小巧、便携。将传统医学检测所需的离心、过滤、混合、反应和检测等功能整合在微型芯片上，通过标准化封装制备小体积的便携式检测设备，能够随身携带、快速检测。 5、降低了对专业医护人员的依赖性。卫生设施有限的偏远地区不具备医学检测条件，特别是在流行病暴发时，能够降低对检测设备的依赖，实现实时、实地快速检测。 6、总结与展望 微流控检测技术的发展有效促进了现场、即时检测和精准、个性化医疗的发展，大大降低了医学检测对设备和专业人员素质的依赖。微流控芯片技术的最大产业化场景是体外诊 断，随着互联网医疗概念的提出和部署，智能化医疗检测终端，特别是即时诊断设备具有广阔的市场空间。在此背景下，基于微流控芯片技术的检测方法能够实现工作流程的自动化，同时更能确保品质和生产的一致性，很好地满足互联网医疗发展对智能化医疗检测终端的需求。 中国对微流控芯片的研究工作始于1990年代后期，研究处于初期阶段。大多数高端医用微流控芯片依赖进口。目前，微流控芯片研究的主流已从平台构建和方法转向不同领域的应用。未来十年、二十年内，微流控芯片注定成为一种被深度产业化的科学技术，世界范围内的微流控芯片的科学研究及产业竞争也将日趋激烈。相信在不远的未来，中国的企业一定会迎头赶上，在微流控芯片领域取得一席之地！ 参考文献 [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, 韩文. 应用于血液检测的微流控芯片制造工艺及应用研究现状[J]. 医疗卫生装备, 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]Butkutė A, Jonušauskas 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.
