生物芯片這個(gè)用語最早出現(xiàn)在基因檢測(cè)領(lǐng)域，由美國(guó)Affymetrix公司首先使用。圖4是該公司在2003年為羅氏生產(chǎn)的檢測(cè)CYP450基因的生物芯片，用于個(gè)性化用藥。它是以單晶硅為襯底，通過多層掩膜版的制造過程，在幾十萬個(gè)20 μm2的檢測(cè)區(qū)上合成出不同的基因片段。因?yàn)槭褂昧藛尉Ч韫杵?，采用了半?dǎo)體行業(yè)常用的掩膜版光刻技術(shù)，最后產(chǎn)品外觀和半導(dǎo)體芯片非常類似，故被稱為生物“芯片”。類似技術(shù)已經(jīng)在基因檢測(cè)領(lǐng)域大規(guī)模使用，但是在免疫檢測(cè)領(lǐng)域還沒有產(chǎn)品出現(xiàn)。

理邦的m16磁敏免疫分析儀采用了通過多層納米膜淀積、多層掩膜板光刻等大規(guī)模集成電路工藝制造的生物芯片技術(shù)。圖2是其示意圖，其中每一個(gè)彩色正方形下面是一個(gè)由多條亞微米寬的巨磁阻器件構(gòu)成的檢測(cè)區(qū)，每個(gè)檢測(cè)區(qū)上修飾有不同的捕捉分子，用來檢測(cè)不同的標(biāo)志物。此示意圖中共有12個(gè)檢測(cè)區(qū)，可以檢測(cè)12種不同的生物分子。和Affymetrix芯片最大的不同是，m16生物芯片不僅僅是捕獲被測(cè)物質(zhì)的載體，它還探測(cè)被測(cè)物質(zhì)生成的信號(hào)。信號(hào)通過導(dǎo)線傳輸?shù)絻x器上，然后轉(zhuǎn)換成用戶可以使用的信息。Affymetrix的芯片只是捕獲被測(cè)基因的載體，其上產(chǎn)生的熒光信號(hào)要通過一個(gè)熒光掃描設(shè)備來讀取。

m16生物芯片的工作原理如圖3所示。首先通過大規(guī)模集成電路工藝在硅片上生產(chǎn)巨磁阻 （GMR） 微陣列芯片。GMR芯片有極高的靈敏度、可以檢測(cè)到單個(gè)納米磁顆粒。硅片切割成單個(gè)芯片以后，首先在上面修飾上捕捉抗體。當(dāng)樣本被加到芯片上以后，其中的被測(cè)分子和捕捉分子發(fā)生反應(yīng)、結(jié)合。然后加入修飾有檢測(cè)抗體的納米磁顆粒，檢測(cè)抗體和被測(cè)分子結(jié)合，形成圖6所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)。納米磁顆粒作為標(biāo)記物被GMR器件檢測(cè)。在樣本中被測(cè)分子含量很低、也即需要高靈敏度的情況下，一個(gè)磁顆粒下面只會(huì)有一個(gè)被測(cè)分子。因?yàn)镚MR器件可以檢測(cè)到單個(gè)納米磁顆粒，所以這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)就具有了檢測(cè)單個(gè)生物分子的超高靈敏度。

m16磁敏生物芯片是微陣列芯片，其上有多個(gè)檢測(cè)區(qū)域，可以同時(shí)檢測(cè)多種物質(zhì)。比如，肝功4項(xiàng)、心肌標(biāo)志物五項(xiàng)、呼吸道感染9項(xiàng)、腫瘤12項(xiàng)等，可以用單個(gè)微量樣本在同一個(gè)微流體測(cè)試卡上得到結(jié)果。更重要的是，部分檢測(cè)區(qū)可以被用來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、校準(zhǔn)，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性和一致性。在公式2的討論中我們提到，抗體抗原的最佳反應(yīng)溫度是37℃，偏離此溫度會(huì)使反應(yīng)速度降低、檢測(cè)結(jié)果變?nèi)酢Ｔ诶戆頼36的芯片上，有兩個(gè)溫度偏差校準(zhǔn)區(qū)和一個(gè)反應(yīng)過程校準(zhǔn)區(qū)，可以實(shí)時(shí)校準(zhǔn)此項(xiàng)因素。這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)直接結(jié)果是，測(cè)試卡從低溫儲(chǔ)藏室取出后可以馬上進(jìn)行測(cè)試、不需要恢復(fù)到室溫，這對(duì)急性心梗等需要快速結(jié)果的應(yīng)用非常有利。試劑批次校準(zhǔn)區(qū)可以校準(zhǔn)運(yùn)輸、儲(chǔ)存、試劑批間差等因素。另外根據(jù)需要，還可以在芯片上設(shè)計(jì)假陽性、假陰性校準(zhǔn)，使檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有巨大改進(jìn)。

免疫層析技術(shù)面臨問題及解決方向

隨著醫(yī)療領(lǐng)域各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是隨著精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化醫(yī)療的迅速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)也在兩個(gè)方面面臨著挑戰(zhàn)：第一是重復(fù)性，第二是靈敏度。對(duì)免疫層析技術(shù)來講，測(cè)試條之間的重復(fù)性問題是最大的挑戰(zhàn)，而重復(fù)性差的原因很大一部分是因?yàn)樾枰讯喾N纖薄、脆弱的材料粘貼在一起、同時(shí)保證其中液體流動(dòng)的一致性。為解決這個(gè)問題，一些公司在開發(fā)新的材料和結(jié)構(gòu)。Whatman公司的Fusion 5 單一薄膜代替了樣品墊、膠體金墊、硝酸纖維素膜和吸水墊。Fusion 5 是一種大孔隙材料，液體在其中的流動(dòng)速度很快，但是和蛋白質(zhì)沒有親和性。同時(shí)，常規(guī)層析免疫產(chǎn)品使用的多次浸潤(rùn)、干燥過程也不再適用，所以，需要一個(gè)完全不同的制造過程。目前市場(chǎng)上使用Fusion 5的產(chǎn)品并不多見。

解決以上所述重復(fù)性差的另一個(gè)思路是徹底擯棄層析膜以及其他薄膜，采用微流體結(jié)構(gòu)。但是，微流體器件的研發(fā)需要機(jī)械、流體力學(xué)、化學(xué)、生物、精加工等尖端技術(shù)領(lǐng)域的密切合作，研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，投入大。所以，除了美國(guó)Alere 公司的Biosite 產(chǎn)品系列，還沒有其他有影響力的產(chǎn)品出現(xiàn)在市場(chǎng)上。另外，從化學(xué)反應(yīng)的角度出發(fā)，化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果受反應(yīng)試劑量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素影響，免疫反應(yīng)也不例外。所以，對(duì)微流體的精確控制是進(jìn)一步改進(jìn)重復(fù)性的關(guān)鍵。理邦m16產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了對(duì)流體的控制。“微”流體的“微”字意味著產(chǎn)品的原材料以及生產(chǎn)過程需要嚴(yán)密控制。理邦通過精密注塑來生產(chǎn)合乎要求的零部件。組裝線采用自動(dòng)化機(jī)械手進(jìn)行組裝，可以實(shí)現(xiàn)不大于幾十微米的組裝公差。

美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的Baselt博士于1997年提出利用磁阻 （magnetoresistance, MR） 器件和磁標(biāo)記物進(jìn)行生物分子檢測(cè)的概念。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了更加靈敏的巨磁阻 （giant magnetoresistance，GMR） 現(xiàn)象, 法國(guó)科學(xué)家Albert Fert和德國(guó)科學(xué)家Peter Grünberg獲得了2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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