面向POCT應(yīng)用的微流控芯片技術(shù)
即時(shí)檢測（point-of-care testing, POCT）以實(shí)現(xiàn)便捷的現(xiàn)場即時(shí)醫(yī)學(xué)檢測為主要思想，旨在借助一體化檢測器或便攜式儀器，縮減樣本運(yùn)輸管理成本，降低檢測等待時(shí)間，緩解臨床應(yīng)用對(duì)高端儀器的依賴。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測機(jī)制，POCT不單純以提高檢測精度為目標(biāo)，而主要通過精簡操作流程、集成檢測裝置、壓縮檢測成本，實(shí)現(xiàn)部分由非專業(yè)人員完成、受眾和適應(yīng)性更強(qiáng)的就地檢測。因其綜合成本和可操作性方面的優(yōu)勢，POCT對(duì)完善農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療建設(shè)、加速檢驗(yàn)檢疫流程、應(yīng)對(duì)突發(fā)疾病災(zāi)害、推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療和疾病篩查等具有重要意義，并已廣泛應(yīng)用于臨床治療和監(jiān)護(hù)。20世紀(jì)90年代初提出的微流控芯片（microfluidic chip）技術(shù)依托現(xiàn)代微加工工藝，可實(shí)現(xiàn)采樣、稀釋、加試劑、分離、檢測等實(shí)驗(yàn)流程和生化反應(yīng)在單片平板芯片上的集成，從而減少樣品試劑消耗、提高檢測靈敏度、縮短反應(yīng)時(shí)間、降低平均成本。其可滿足從生物小分子到細(xì)胞的不同尺度對(duì)象檢測需求，并可通過在后端耦合光、電、熱等形式的檢測器和讀數(shù)裝置，實(shí)現(xiàn)檢測流程的自動(dòng)化和檢測結(jié)果的信息化。微流控芯片微型化、集成化、自動(dòng)化的特性，高度切合POCT檢測技術(shù)的發(fā)展需求，對(duì)優(yōu)化臨床檢測具有重要意義，近年來已日趨成為POCT領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和核心技術(shù)。
1 POCT 微流控芯片核酸檢測
由于核酸是儲(chǔ)存、復(fù)制和傳遞遺傳信息的基礎(chǔ)物質(zhì)，因此，核酸檢測在特定疾病的檢測中具有較高的靈敏度和特異性。傳統(tǒng)的核酸檢測包括樣品前處理、核酸擴(kuò)增（PCR擴(kuò)增）及擴(kuò)增產(chǎn)物的檢測等多個(gè)復(fù)雜、耗時(shí)的步驟，對(duì)操作人員有特殊要求，同時(shí)需要使用到昂貴的設(shè)備和試劑。核酸芯片可以將這些處理過程微型化、簡潔化，并統(tǒng)一集中在一個(gè)微小芯片內(nèi)。由于核酸檢測處理過程復(fù)雜，不同步驟中需要使用多種試劑，因此核酸芯片的流體控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。此外，PCR擴(kuò)增過程中的溫度控制系統(tǒng)，以及擴(kuò)增產(chǎn)物的光學(xué)檢測系統(tǒng)和最終輸出檢測結(jié)果的用戶接口都有較高的整合性要求。對(duì)于POCT核酸檢測而言，需要對(duì)功耗、體積、可靠性和成本等多方面進(jìn)行考慮。目前，已經(jīng)發(fā)表的多種技術(shù)和方法都有各自的優(yōu)勢和缺陷，針對(duì)不同的檢測目標(biāo)和應(yīng)用場合，有的方法注重檢測速度，有的注重多重檢測、高通量，有的則強(qiáng)調(diào)定量檢測。總體來說，高功耗和大體積是目前的核酸芯片檢測系統(tǒng)面臨的主要問題，未來的POCT核酸檢測需要進(jìn)一步完善便攜性，并保證核酸檢測原有的高靈敏度和高特異性的優(yōu)勢。
POCT 核酸芯片
針對(duì)POCT核酸芯片擴(kuò)增產(chǎn)物的檢測方法，除了常規(guī)的熒光檢測和電泳檢測外，還有幾種新的發(fā)展趨勢。低密度微矩陣核酸雜交法（low-density microarray）可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測多個(gè)擴(kuò)增產(chǎn)物。整合引物延伸方法（integrated primer extension assay）是檢測目標(biāo)基因的單個(gè)核苷酸多態(tài)性（single-nucleotidepolymorphisms，SNPs），這種方法快速、簡便、成本低。側(cè)流層析試紙法（lateral-flow strip）的原理與免疫側(cè)流層析試紙條技術(shù)相似，采用特異性的寡核苷酸捕捉擴(kuò)增后的核酸，再與標(biāo)記有膠體金的特異性的寡核苷酸結(jié)合，這種方法芯片成本低，結(jié)果易于判讀，可半定量或定量檢測。
2 POCT 微流控芯片蛋白質(zhì)檢測
蛋白質(zhì)通常可以直接揭示或反映某些確切疾病的表征和狀態(tài)，因此蛋白質(zhì)檢測是POCT目前研究較多的方面。蛋白質(zhì)檢測不需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，可以直接對(duì)全血和唾液進(jìn)行檢測。其中以免疫層析法為原理的蛋白質(zhì)檢測較為普遍，該方法具有較高的靈敏度和特異性，而且相比于核酸檢測更加簡單和快速。綜合各類商業(yè)應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究的POCT蛋白質(zhì)檢測，主要特點(diǎn)都是盡量減少樣品處理步驟和相關(guān)的流路控制，為非專業(yè)的操作人群提供操作更簡單、重復(fù)度更高的檢測系統(tǒng)。目前，研究一些新的流路控制方法和新材料，如表面等離子體諧振(SPR)、磁性納米材料、量子點(diǎn)材料等，改進(jìn)蛋白質(zhì)檢測的集成度和檢測效率是POCT重要的發(fā)展方向。
蛋白質(zhì)通常可以直接揭示或反映某些確切疾病的表征和狀態(tài)，因此蛋白質(zhì)檢測是POCT目前研究較多的方面。蛋白質(zhì)檢測不需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，可以直接對(duì)全血和唾液進(jìn)行檢測。其中以免疫層析法為原理的蛋白質(zhì)檢測較為普遍，該方法具有較高的靈敏度和特異性，而且相比于核酸檢測更加簡單和快速。綜合各類商業(yè)應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究的POCT蛋白質(zhì)檢測，主要特點(diǎn)都是盡量減少樣品處理步驟和相關(guān)的流路控制，為非專業(yè)的操作人群提供操作更簡單、重復(fù)度更高的檢測系統(tǒng)。目前，研究一些新的流路控制方法和新材料，如表面等離子體諧振(SPR)、磁性納米材料、量子點(diǎn)材料等，改進(jìn)蛋白質(zhì)檢測的集成度和檢測效率是POCT重要的發(fā)展方向。
Alere的Triage POCT 系統(tǒng)和檢測盒
美國Alere的Triage系統(tǒng)是比較成功的免疫層析POCT商業(yè)產(chǎn)品，該系統(tǒng)可直接通過全血高效檢測急性心肌梗塞相關(guān)標(biāo)志物。該系統(tǒng)采用聚合物微流控通道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硝酸纖維膜，使得液體遷移的重復(fù)性和穩(wěn)定性都得到了極大的提高。此外，該系統(tǒng)利用疏水材料控制樣品流速，并利用熒光染料替代傳統(tǒng)的膠體金作為標(biāo)記物。
除了免疫層析法外，酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)法（enzymelinked immunosorbent assay，ELISA）也是近年在蛋白質(zhì)檢測上研究較多的方法。Laksanasopin等人研發(fā)的智能手機(jī)電子狗（Dongle）復(fù)制了實(shí)驗(yàn)室ELISA所有的機(jī)械，光學(xué)和電子功能，由手機(jī)提供電量。該系統(tǒng)在15分鐘內(nèi)完成三重免疫檢測：同時(shí)檢測HIV抗體，梅毒螺旋體特異性抗體和針對(duì)梅毒的非螺旋體抗體。檢測結(jié)果與目前臨床的算法需求相一致，并且可以直接在手機(jī)界面完成顯示和存儲(chǔ)。
基于ELISA的POCT電子狗
3 POCT微流控芯片細(xì)胞計(jì)數(shù)與檢測
細(xì)胞作為生物有機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，可以直接反映疾病的進(jìn)行情況，如在口腔癌、艾滋病等的輔助診斷和預(yù)后判斷方面有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。POCT細(xì)胞檢測是對(duì)核酸檢測和蛋白質(zhì)檢測技術(shù)的重要補(bǔ)充，其分析方法主要是細(xì)胞分離和分型計(jì)數(shù)，即傳統(tǒng)的流式細(xì)胞儀技術(shù)。目前，POCT細(xì)胞檢測在對(duì)操作人員的要求、檢測速度和量產(chǎn)成本等方面都有很大的發(fā)展空間，研究新的細(xì)胞分離技術(shù)和檢測方法是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，具備遠(yuǎn)程診斷功能的POCT將會(huì)很快成為主要的發(fā)展趨勢。
Zhu等人設(shè)計(jì)了一套可安裝在手機(jī)上的成像組件用于計(jì)數(shù)紅細(xì)胞、白細(xì)胞和測量血紅蛋白濃度。其中白細(xì)胞在熒光標(biāo)記后，用特定激發(fā)光和手機(jī)的攝像頭進(jìn)行檢測；紅細(xì)胞在全血用PBS按1:1000稀釋后，在明場照明下進(jìn)行檢測。該裝置的檢測效果與Sysmex的KN21血液分析儀的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98。像這樣與手機(jī)集成的POCT細(xì)胞檢測技術(shù)利用廉價(jià)的光學(xué)元件和簡單的樣品處理流程，就能對(duì)血細(xì)胞取得很好的計(jì)數(shù)效果，并且易于通過手機(jī)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。
除光學(xué)檢測方法外，電化學(xué)阻抗法是POCT細(xì)胞檢測的另一個(gè)研究方向。其原理是通過測量細(xì)胞膜的容抗和阻抗，以及細(xì)胞質(zhì)的電導(dǎo)率和電容率，實(shí)現(xiàn)對(duì)血細(xì)胞的計(jì)數(shù)和區(qū)分不同的白細(xì)胞。該方法不需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，成本低，且易于和IC工藝集成，有利于后期的信號(hào)處理。Morgan和他的同事設(shè)計(jì)的細(xì)胞芯片通過兩個(gè)電極間的交流電壓和導(dǎo)通電流的比率來測量單個(gè)細(xì)胞的阻抗。
由于CD4 + T細(xì)胞數(shù)量可以反映艾滋病感染者免疫系統(tǒng)的功能水平，目前已經(jīng)有一些商業(yè)型的CD4 POCT診斷系統(tǒng)，但其集成度和成本等還遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展中國家對(duì)HIV監(jiān)控POCT的迫切需求。CyFlow的miniPOC是臺(tái)式流式細(xì)胞儀的POCT版，可以提供CD4的絕對(duì)數(shù)量和CD4%。儀器采用干的單克隆CD4抗體試劑用于捕獲/凈化CD4細(xì)胞，保存時(shí)間達(dá)6個(gè)月且無需低溫運(yùn)輸。但是該儀器需要操作人員提前對(duì)樣品進(jìn)行多步處理后才能完成檢測。Alere的Pima CD4分析儀采用一次性檢測筒，只需要25 μL指尖血液樣本或靜脈血樣本就可以在20分鐘內(nèi)完成CD4計(jì)數(shù)。Daktari的CD4分析儀利用固定住的抗體捕獲和分離CD4細(xì)胞，然后使得細(xì)胞裂解，檢測細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)釋放出來后引起的阻抗變化。該方法在200，350和500個(gè)細(xì)胞/μL下靈敏度分別達(dá)到了0.86，0.90和0.97，特異性均達(dá)到了0.94。
4 POCT 微流控芯片關(guān)鍵技術(shù)
4.1 微流控芯片POCT 儀器構(gòu)建技術(shù)
為方便儀器研制和最大限度地壓縮生產(chǎn)成本，面向POCT應(yīng)用的微流控芯片主要選用PDMS(polydimethylsiloxane)、PMMA(polymethylmethacrylate)、COC(cyclic olefin copolymer)等聚合物材料為基材，通過等離子體鍵合、犧牲層鍵合、紫外鍵合、溶劑鍵合等工藝，實(shí)現(xiàn)功能物質(zhì)的附著。由于具有優(yōu)良的熱塑性和可加工性，PMMA、COC等材料可采用壓模或注塑工藝進(jìn)行低成本的基片加工，成為較流行的微流控芯片材料。通過利用PMMA透明的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞或生物大分子的直接觀察，利于后端微流控芯片光電檢測器的設(shè)計(jì)，如Kurkuri等采用PMMA材料設(shè)計(jì)了等離子體功能化的微流控芯片，利用其與EpCAM(anti-epithelial-cell adhesionmolecule)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)NCIH69肺癌細(xì)胞和SK-Br-3胸腺癌細(xì)胞的捕捉，并可直觀觀察內(nèi)部3D結(jié)構(gòu)的細(xì)胞捕獲過程。此外，也可利用印制電路板技術(shù)成熟、加工精度高、成本較低的特性，設(shè)計(jì)基于印制電路板的微流控系統(tǒng)。
微流控芯片可滿足生物分子和細(xì)胞的檢測需求，但在臨床應(yīng)用中微流控芯片POCT儀器主要以人體體液為直接檢測物質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)便捷性操作和定量檢測，以微針技術(shù)(microneedle)為代表的微創(chuàng)采樣技術(shù)已成為POCT用微流控芯片的研究重點(diǎn)之一。通過采用X光刻蝕、離子蝕刻、熱模壓、濺射淀積等工藝，可構(gòu)建直徑僅數(shù)十微米的微針，實(shí)現(xiàn)表皮穿刺和血液采樣[40]。Li等采用光刻工藝構(gòu)建外徑120 、內(nèi)徑60、長度1800的微針結(jié)構(gòu)，在分析機(jī)械強(qiáng)度和液體采樣效果的基礎(chǔ)上，通過激光切割傾角的針尖，可在保障穿刺性能的基礎(chǔ)上減少血管損傷和神經(jīng)接觸。
此外，隨著納米技術(shù)的發(fā)展和普及，以納米金顆粒、納米磁珠、納米線等為代表的納米材料近年來已開始用于微流控芯片POCT檢測，對(duì)擴(kuò)大POCT適用檢測范圍、實(shí)現(xiàn)檢測物質(zhì)分離和活體在線監(jiān)測等具有重要意義。
4.2 微流控芯片POCT 儀器系統(tǒng)化設(shè)計(jì)
微流控芯片POCT儀器圍繞單個(gè)芯片，實(shí)現(xiàn)從定量采樣到結(jié)果輸出的全流程測試功能。為同時(shí)滿足臨床實(shí)用和便捷操作的需要，需綜合考慮各功能單元布局和完善系統(tǒng)可操作性：一方面，需針對(duì)前端微流控芯片設(shè)計(jì)并整合進(jìn)樣、分離、檢測等單元；另一方面，需針對(duì)用戶和市場需求，合理設(shè)計(jì)后端用戶和信息化接口。對(duì)前端微流控芯片，可針對(duì)樣本和芯片基材的流體特性，選用壓力泵驅(qū)動(dòng)、微電機(jī)離心驅(qū)動(dòng)、微電極電濕潤驅(qū)動(dòng)、紙基芯片毛細(xì)驅(qū)動(dòng)等方案，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣驅(qū)動(dòng)[45]。對(duì)以血液為代表的復(fù)雜成分檢測樣本，可根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)的理化特性，選用介電泳分離、磁分離、水作用力分離、過濾結(jié)構(gòu)分離等方案實(shí)現(xiàn)定向提取。其中，由于納米磁珠的良好分離性能和生物相容性，近年來被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞POCT檢測分離。檢測原理方面，通常采用光電檢測和電化學(xué)檢測。其中電化學(xué)檢測可采用未加工工藝，以光刻蝕、離子沉淀等方式在芯片內(nèi)部直接加工微電極。光電檢測則通常選用激光二極管為光源，采用光電倍增管、CCD(Charge Coupled Device)實(shí)現(xiàn)定量檢測或目標(biāo)成像。
對(duì)后端用戶和信息化接口，通常采用低功耗、低成本的單片機(jī)或ASIC(application specific integrated circuit)作為中低端POCT儀器優(yōu)先選擇的技術(shù)方案。近年來隨著低功耗通用處理器和移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，部分中高端POCT儀器以嵌入式系統(tǒng)為核心組織系統(tǒng)。對(duì)于血糖檢測等家用、自主式POCT應(yīng)用，部分研究者采用智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品為用戶終端，可實(shí)現(xiàn)對(duì)POCT檢測數(shù)據(jù)的讀取、顯示、上傳、管理。
4.3 微流控芯片POCT 儀器產(chǎn)品
以血糖儀和血液分析儀為代表，Abbott、Johnson & Johnson、HemoCue、Chempaq、Advanced Liquid Logic、Epocal、TearLab等廠商已陸續(xù)推出了若干面向臨床的微流控芯片POCT儀器產(chǎn)品。Abbott公司的i-STAT床旁血液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是該領(lǐng)域研發(fā)起步較早的代表性產(chǎn)品，20世紀(jì)80年代開始即進(jìn)入FDA(Food and Drug Administration)技術(shù)認(rèn)證階段。其采用卡式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持血液中血?dú)狻㈦娊赓|(zhì)、血凝、生化及心肌標(biāo)志物等監(jiān)測，可在2分鐘內(nèi)輸出檢測結(jié)果。HemoCue公司和Chempaq公司開發(fā)的血液分析儀器，僅需10μL量級(jí)的血液樣品，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)血液參數(shù)的快速精確測定，可滿足社區(qū)醫(yī)院和診所的醫(yī)學(xué)檢測需求。從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，微流控芯片POCT儀器日趨向著高靈敏度、多功能化、便攜化等方向發(fā)展，但隨著歐美等國對(duì)POCT行業(yè)監(jiān)管力度的加大，短期內(nèi)該領(lǐng)域所面臨的主要商業(yè)化和產(chǎn)品化問題是如何建立有效的行業(yè)規(guī)范，并通過日益嚴(yán)苛的資質(zhì)認(rèn)證。
5 研究難點(diǎn)與前景展望
微流控芯片由于其集成度高、準(zhǔn)確度好、試劑消耗低、反應(yīng)速度快等先天優(yōu)勢，日趨成為構(gòu)建POCT系統(tǒng)的核心技術(shù)。且受益于微加工技術(shù)的迅速發(fā)展，其有望提供一體化的復(fù)雜檢測和診斷功能。然而，受限于系統(tǒng)思維或行業(yè)體制，基于微流控芯片的POCT系統(tǒng)研究和產(chǎn)品化仍存在諸多問題亟待解決：（1）系統(tǒng)集成問題，目前該領(lǐng)域研究普遍側(cè)重單一關(guān)鍵技術(shù)的突破，而面向復(fù)雜應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方興未艾，為滿足腫瘤早期篩查、體液多成分檢測等臨床需求，需在單片微流控芯片上集成樣品微量量取、順序混合反應(yīng)、分離分析和檢測等功能，并合理化設(shè)計(jì)閥、液路、反應(yīng)池等單元；（2）易用性問題，基于微流控芯片的POCT儀器主要面向初級(jí)技術(shù)人員或無技術(shù)背景人員，需進(jìn)一步完善其操作的簡易性，強(qiáng)化其對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性，降低因操作不熟練導(dǎo)致的不精確或錯(cuò)誤檢測結(jié)果，提高儀器檢測結(jié)果的可靠性；（3）質(zhì)量控制問題，POCT儀器的臨床應(yīng)用尚缺乏成熟的行業(yè)規(guī)范和管理體系，檢測結(jié)果較高的不確定性限制了其推廣和用于臨床決策。
隨著新材料技術(shù)的發(fā)展和信息化水平的提高，微流控芯片POCT儀器在功能深度和應(yīng)用廣度上將會(huì)有更大的提高。（1）芯片紙基化，傳統(tǒng)的微流控芯片通常采用光刻蝕加工玻璃、硅片、高分子聚合物等基材，制備過程復(fù)雜，研發(fā)成本高。采用蠟印技術(shù)構(gòu)建微通道的一次性紙基微流控芯片，重量和成本進(jìn)一步降低，對(duì)發(fā)展資源匱乏條件下的現(xiàn)場實(shí)時(shí)診斷具有廣闊應(yīng)用前景。（2）設(shè)備信息化：隨消費(fèi)電子產(chǎn)品和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速普及，為實(shí)現(xiàn)微流控芯片POCT儀器與家用信息系統(tǒng)聯(lián)用，以及大數(shù)據(jù)背景下的遠(yuǎn)程醫(yī)療和個(gè)性服務(wù)，提供了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。（3）產(chǎn)品多樣化，通過利用碳納米管、量子點(diǎn)、金納米材料等新材料特性，微流控芯片POCT儀器的檢測診斷對(duì)象由現(xiàn)有的血糖、肺結(jié)核、HIV、心臟標(biāo)志物等向外大幅延拓，有望覆蓋體育競技、海關(guān)口岸、應(yīng)急輔助醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。
（文章來源: 體外診斷技術(shù)支持 作者：easy 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）