微流控技術具有微量、高效、高通量、微型化、集成化、自動化的特點，為實現(xiàn)現(xiàn)場化、低成本的臨床生化分析提供了一條可行的技術途徑。 針對于目前臨床生化分析中復雜流體操控的難點，該文依據(jù)系統(tǒng)中采用驅動和控制方式的不同，對各種基于微流控技術的臨床生化分析系統(tǒng)進行了分類介紹。

臨床生化分析是基于分光光度法對血液、尿液等體液中血糖血脂、肝功、腎功、心肌酶譜等幾十項生化指標進行檢驗的方法。 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。 目前臨床生化分析的工作基本上在醫(yī)院中心檢驗實驗室利用自動生化分析儀開展。 這些儀器需要自動實現(xiàn)樣品預處理、量取、混合反應、檢測、清洗等一系列復雜的分析操作步驟。 常規(guī)的臨床生化分析儀不僅結構復雜，體積龐大，造價高昂，而且需要專業(yè)的醫(yī)學檢驗人員操作，所以一般應用于大中型醫(yī)院，無法覆蓋偏遠地區(qū)或基層醫(yī)療機構。 基層醫(yī)療對臨床生化分析儀體型精巧、低成本、易操作的要求得不到滿足，是目前醫(yī)學檢驗領域亟待解決的難題。

微 流 控 技 術  起 源 于 １９９０ 年Ｍａｎｚ 提出的“微全分析系統(tǒng)”概念，其特點是通過操控 ｐＬ 至 μＬ 體積的微量流體，實現(xiàn)化學或生物分析中的各項操作。 微流控技術的出現(xiàn)為臨床生化分析的基層普及提供了一個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，且大幅提高反應的傳質、傳熱能力，有助于實現(xiàn)高效反應，縮短分析時間；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現(xiàn)系統(tǒng)的集成化和微型化，使其使用場合不再受限于大中型醫(yī)院，具有巨大的市場發(fā)展前景。 目前，基層醫(yī)療機構能開展的生化分析工作仍然采用試紙條技術，它利用紙纖維的毛細作用驅動樣品的流動，使樣品與預先干化的試劑反應顯色以獲得檢測結果，具有操作簡便、成本低廉的優(yōu)點。 由于試紙條技術受制于簡單的流體操控能力和有限的定量檢測能力，故其應用只限于血糖、膽固醇、蛋白質等指標的檢測，無法滿足臨床生化分析的多指標和高精度需求。

單項指標的臨床生化分析一般需要實現(xiàn)樣品預處理、量取、混合反應、檢測、清洗等一系列精準復雜的操作步驟，更具挑戰(zhàn)的是多數(shù)疾病的臨床診斷需要同時檢測不同指標，因此，同時實現(xiàn)多步串行流體操控和多指標并行分析是臨床生化分析自動化的難點所在。 微流控體系中所需操控的流體體積往往是nl級，甚至pl級水平，不同于一般宏觀流體，這些微流體帶有明顯的尺度效應。 隨著流體體積的減小，在宏觀狀態(tài)下占主導地位的重力和阻力可以忽略不計，但是微流體陡增的比表面積大大增強了表面張力等表面效應。 同時，微流體存在的層流效應也加大了流體的混合難度。 液體操控方式是決定一個微流控分析系統(tǒng)整體設計的關鍵，貫穿于從樣品前處理到最終結果檢測整個分析過程的始終。 因此本文根據(jù)不同微流體的驅動方式對當前微流控生化分析系統(tǒng)進行了分類介紹。

目前已報道的應用于微流控生化分析系統(tǒng)的常見驅動方式包括離心驅動、電驅動、壓力驅動、毛細作用驅動，除此之外還包括磁驅動、熱毛細遷移、聲波驅動等多種形式的驅動方式。 基于前4種常見的驅動和控制方式，本文對各種基于微流控技術的臨床生化分析系統(tǒng)進行分類介紹。

微流控生化分析系統(tǒng)的驅動方式

離心驅動技術

離心驅動技術是通過芯片做圓周運動產(chǎn)生離心作用以驅動流體的技術。 離心驅動微流控分析系統(tǒng)通常包含圓盤形離心芯片、電機和檢測裝置。 試劑和樣品需預先存儲于芯片上，通過在液體通道特定位置加工憎水區(qū)域或魚骨狀通道微結構的方法，實現(xiàn)被動突破閥的功能。 分析過程中隨著芯片的加速旋轉，距離芯片圓心最遠的溶液首先通過突破閥進入分析腔室，因此通過控制電機轉速可操控不同試劑依次進入分析腔室，實現(xiàn)混合、反應及檢測。 離心驅動分析系統(tǒng)解決了微泵系統(tǒng)難以加工和集成的問題，系統(tǒng)結構簡單，且可在芯片上設計多個并行分析單元來提高分析通量，由單個電機驅動集成了并行分析單元的離心芯片就可實現(xiàn)微流控分析系統(tǒng)的高通量 化。 目 前， 離 心 芯 片 已 廣 泛 應 用 于 核 酸 分析、蛋白質分析、小分子分析、細胞分析等多種不同的分析應用中。

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

Ｓｔｅｉｇｅｒｔ 等報道了一種用于全血中酒精濃度檢測的離心芯片。 芯片結構如圖 ２ 所示，芯片集成了一個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)離心進入分離室后多余血液經(jīng)溢流口排出，可實現(xiàn)樣品的定量量取。 提高離心轉速，可使保留的血液在離心作用下實現(xiàn)血細胞和血漿的分離，分離得到的血漿經(jīng)血清出口虹吸流出，最終經(jīng)離心進入檢測池與同時到達的試劑發(fā)生反應，反應產(chǎn)物在芯片平面內由吸收光度檢測器檢測。 該系統(tǒng)成功應用于全血中酒精濃度的檢測，整個分析流程在150s內自動完成。

圖 ２ 用于血漿提取和光學檢測的離心芯片結構示意圖

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

圖 ３ 肝功能篩查離心芯片結構及其流體操作過程

Ｋｕｏ 等發(fā)展了一種用于血液肌酐檢測的離心芯片。 該芯片通過控制旋轉的速度，可精確分離出生化檢測所需的血清。 芯片示意圖如圖 ４ 所示，工作時首先依靠離心力驅動全血通過長度為8ｍｍ的直通道，接著進入后部半徑為10mm的圓弧形通道，血細胞靠向圓弧通道外側，最終進入血細胞液池，而血漿則繼續(xù)靠圓弧通道內側進入下一液池，由此完成血漿與全血分離。 然后進一步通過離心作用將血漿分成兩個等體積的部分，流入檢測室進行肌酸酐的比色檢測。 該芯片對于血細胞體積分數(shù)為６％ 的血液樣品，可在6s內獲得 96% 的分離效率。通過適當控制盤旋轉速，可以精確地控制流入檢測室中樣品的體積，具有定量液體量取的能力。 該芯片制作成本低，工技藝術簡單，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、有益學習和研究為宗旨。 轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯(lián)系刪除。