面向POCT應(yīng)用的微流控芯片技術(shù)綜述

李曉瓊，楊春華，潘邵武，韓杰，況玉香，施青峰

北京理工大學(xué)生命學(xué)院，北京 100081

*綜 述*

面向POCT應(yīng)用的微流控芯片技術(shù)綜述

李曉瓊，楊春華，潘邵武，韓杰，況玉香，施青峰

北京理工大學(xué)生命學(xué)院，北京 100081

即時(shí)檢測(cè)(POCT)以實(shí)現(xiàn)快速便捷的臨床現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)為主要目標(biāo)，具有檢測(cè)實(shí)時(shí)性高、綜合成本較低、不依賴專業(yè)設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于臨床監(jiān)護(hù)、檢驗(yàn)檢疫、家庭保健等領(lǐng)域。微流控芯片技術(shù)因其樣品消耗量小、檢測(cè)靈敏度高、易于集成和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)等特點(diǎn)，已成為實(shí)現(xiàn)POCT的重要技術(shù)手段。本文根據(jù)核酸、蛋白、細(xì)胞等檢測(cè)對(duì)象的屬性特點(diǎn)，分類綜述了面向POCT應(yīng)用的微流控芯片檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀。進(jìn)而針對(duì)POCT臨床應(yīng)用需求，介紹了POCT用微流控芯片在芯片構(gòu)建技術(shù)、系統(tǒng)化、產(chǎn)品化等方面的研究成果。最后，針對(duì)該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。

即時(shí)檢測(cè)(POCT)；微流控芯片；核酸檢測(cè)；蛋白質(zhì)檢測(cè)；細(xì)胞檢測(cè)；產(chǎn)品化

即時(shí)檢測(cè)（point-of-care testing, POCT）以實(shí)現(xiàn)便捷的現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)醫(yī)學(xué)檢測(cè)為主要思想[1]，旨在借助一體化檢測(cè)器或便攜式儀器，縮減樣本運(yùn)輸管理成本，降低檢測(cè)等待時(shí)間，緩解臨床應(yīng)用對(duì)高端儀器的依賴[2]。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)機(jī)制，POCT不單純以提高檢測(cè)精度為目標(biāo)，而主要通過(guò)精簡(jiǎn)操作流程、集成檢測(cè)裝置、壓縮檢測(cè)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(cè)[3-5]。因其綜合成本和可操作性方面的優(yōu)勢(shì)，POCT對(duì)完善農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療建設(shè)[6]、加速檢驗(yàn)檢疫流程[7]、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[8,9]，并已廣泛應(yīng)用于臨床治療和監(jiān)護(hù)[10]。20世紀(jì)90年代初提出的微流控芯片（microfluidicchip）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(cè)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(cè)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(cè)需求，并可通過(guò)在后端耦合光、電、熱等形式的檢測(cè)器和讀數(shù)裝置，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的自動(dòng)化和檢測(cè)結(jié)果的信息化[11]。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(cè)技術(shù)的發(fā)展需求，對(duì)優(yōu)化臨床檢測(cè)具有重要意義，近年來(lái)已日趨成為POCT領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和核心技術(shù)[12]，如圖1所示。

圖1　2010年-2014年P(guān)OCT與微流控芯片研究論文趨勢(shì)Fig.1　Tendency of Publications on POCT and Microfluidic Chip

本文首先根據(jù)核酸、蛋白、細(xì)胞等目標(biāo)物質(zhì)的檢測(cè)需求，分類綜述了近年來(lái)基于微流控芯片的POCT檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀。進(jìn)而針對(duì)POCT檢測(cè)的臨床應(yīng)用需求，介紹了面向POCT的微流控芯片在芯片構(gòu)建技術(shù)、系統(tǒng)化、產(chǎn)品化等關(guān)鍵技術(shù)研究方面的成果。最后，針對(duì)該領(lǐng)域的主要研究難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。

1　 POCT微流控芯片核酸檢測(cè)

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(cè)在特定疾病的檢測(cè)中具有較高的靈敏度和特異性。傳統(tǒng)的核酸檢測(cè)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(cè)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(guò)程微型化、簡(jiǎn)潔化，并統(tǒng)一集中在一個(gè)微小芯片內(nèi)。由于核酸檢測(cè)處理過(guò)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(guò)程中的溫度控制系統(tǒng)，以及擴(kuò)增產(chǎn)物的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)和最終輸出檢測(cè)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(cè)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(shì)和缺陷，針對(duì)不同的檢測(cè)目標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)合，有的方法注重檢測(cè)速度，有的注重多重檢測(cè)、高通量，有的則強(qiáng)調(diào)定量檢測(cè)。總體來(lái)說(shuō)，高功耗和大體積是目前的核酸芯片檢測(cè)系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題，未來(lái)的POCT核酸檢測(cè)需要進(jìn)一步完善便攜性，并保證核酸檢測(cè)原有的高靈敏度和高特異性的優(yōu)勢(shì)。

圖2　POCT 核酸芯片F(xiàn)ig.2　POCT nucleic acid lab chips (a) Images of the integrated glass lab chip[13](b) Schematic illustration of the HIV-1 microfluidic chip[16]

在芯片制作方面，Easley等人使用蠕動(dòng)泵和 PDMS閥門制作了集核酸提取、PCR 擴(kuò)增及毛細(xì)管電泳全過(guò)程的檢測(cè)芯片[13]，如圖2(a)所示。 Zenhausern等人利用電化學(xué)泵和石蠟型熱力閥制作了用于司法鑒定的DNA圖譜微流控檢測(cè)系統(tǒng)[14,15]。 Lee利用真空抽吸式泵和硅凝膠膜制作的檢測(cè)芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)線粒體DNA變異和HIV-1病毒檢測(cè)，該系統(tǒng)檢測(cè)HIV感染T細(xì)胞的譜帶強(qiáng)度達(dá)到了臺(tái)式PCR儀的水平[16,17]，如圖2(b)所示。 Zhou采用聚苯乙烯替代傳統(tǒng)的PDMS作為芯片材料，利用層壓技術(shù)設(shè)計(jì)了可以并行檢測(cè)4種傳染性病原體的檢測(cè)芯片[18,19]。Oblath利用嵌入氧化鋁薄膜為PCR 擴(kuò)增過(guò)程提供穩(wěn)定的溫度條件，成功實(shí)現(xiàn)唾液中的某些致病菌檢測(cè)[20]。 Liu在樣品前處理階段利用生物素標(biāo)記和特定修飾的磁珠捕獲目標(biāo)DNA，極大提高PCR擴(kuò)增效率[21-13]。

針對(duì)POCT核酸芯片擴(kuò)增產(chǎn)物的檢測(cè)方法，除了常規(guī)的熒光檢測(cè)和電泳檢測(cè)外，還有幾種新的發(fā)展趨勢(shì)。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(cè)多個(gè)擴(kuò)增產(chǎn)物。整合引物延伸方法（integrated primer extension assay）是檢測(cè)目標(biāo)基因的單個(gè)核苷酸多態(tài)性（single-nucleotide polymorphisms，SNPs），這種方法快速、簡(jiǎn)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[24]，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(cè)。 Chen等人將樣品前處理、PCR及免疫層析試紙條技術(shù)檢測(cè)相結(jié)合，用于檢測(cè)唾液中的HIV RNA含量[25]，如圖3所示。

圖3　基于側(cè)流層析試紙法的核酸芯片[25]Fig.3　A lateral-fl ow strip based nucleic acid cassette in its storage state[25]

2　 POCT微流控芯片蛋白質(zhì)檢測(cè)

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(cè)是POCT目前研究較多的方面。蛋白質(zhì)檢測(cè)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(cè)。其中以免疫層析法為原理的蛋白質(zhì)檢測(cè)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(cè)更加簡(jiǎn)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(cè)，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(jiǎn)單、重復(fù)度更高的檢測(cè)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(cè)的集成度和檢測(cè)效率是POCT重要的發(fā)展方向。

圖4　Alere的Triage POCT 系統(tǒng)和檢測(cè)盒[26]Fig.4　Alere Triage POCT system, cartridge[26]

美國(guó)Alere的Triage系統(tǒng)[26]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(guò)全血高效檢測(cè)急性心肌梗塞相關(guān)標(biāo)志物，如圖4所示。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。基于相同的原理，Wang等人設(shè)計(jì)的毛細(xì)管滲流型微流控芯片主要是通過(guò)一些微柱結(jié)構(gòu)和吸水性紙實(shí)現(xiàn)液流控制，并在熒光染料標(biāo)記后增加一個(gè)洗脫區(qū)以提高檢測(cè)的噪聲水平，對(duì)白介素8的檢測(cè)水平達(dá)到了20 pg/mL[27]。磁珠被普遍應(yīng)用于修飾捕獲抗體，Bruls等人利用磁性納米微粒有效分離出目標(biāo)蛋白，從而免去了洗脫步驟和相應(yīng)的流路控制，他們?cè)O(shè)計(jì)的心肌肌鈣蛋白檢測(cè)芯片能在幾分鐘內(nèi)完成對(duì)血漿樣品的檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到了72 pg/mL[28]。

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(cè)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，如圖5所示。該系統(tǒng)在15分鐘內(nèi)完成三重免疫檢測(cè)：同時(shí)檢測(cè)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(cè)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)[29]。

圖5　基于ELISA的POCT電子狗[29]Fig.5　An ELISA based POCT Dongle[29]

3　 POCT微流控芯片細(xì)胞計(jì)數(shù)與檢測(cè)

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(cè)是對(duì)核酸檢測(cè)和蛋白質(zhì)檢測(cè)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(cè)在對(duì)操作人員的要求、檢測(cè)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(cè)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(shì)。

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(cè)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(cè)；紅細(xì)胞在全血用PBS按1:1000稀釋后，在明場(chǎng)照明下進(jìn)行檢測(cè)，如圖6(a)所示。該裝置的檢測(cè)效果與Sysmex的KN21血液分析儀的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98[30,31]。像這樣與手機(jī)集成的POCT細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)利用廉價(jià)的光學(xué)元件和簡(jiǎn)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(guò)手機(jī)通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。Shi等人設(shè)計(jì)了一種可以對(duì)四種白細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)的非鞘流式細(xì)胞計(jì)數(shù)儀，該儀器避免了過(guò)多的稀釋步驟和鞘流結(jié)構(gòu)，如圖6(b)所示。檢測(cè)效果與Beckman Coulter的Coulter LH750血液分析儀的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.90-0.98[32]。

除光學(xué)檢測(cè)方法外，電化學(xué)阻抗法是POCT細(xì)胞檢測(cè)的另一個(gè)研究方向。其原理是通過(guò)測(cè)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(guò)兩個(gè)電極間的交流電壓和導(dǎo)通電流的比率來(lái)測(cè)量單個(gè)細(xì)胞的阻抗[33,34]，如圖6(c)所示。

圖6　POCT血液分析儀Fig.6 POCT hematology analyzers

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(guó)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%，如圖7(a)所示。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(wú)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(cè)。Alere的Pima CD4分析儀采用一次性檢測(cè)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)，如圖7(b)所示。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(cè)細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)釋放出來(lái)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[12]，如圖7(c)所示。

圖7　POCT CD4計(jì)數(shù)儀[12]Fig.7　POCT CD4 counting analyzers[12](a) Partec CyFlow miniPOC (b) Alere Pima CD4 analyzer (c) Daktari CD4 analyzer

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(polymethyl methacrylate)、COC(cyclic olefin copolymer)等聚合物材料為基材，通過(guò)等離子體鍵合、犧牲層鍵合、紫外鍵合、溶劑鍵合等工藝[35]，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[36,37]。通過(guò)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(cè)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)NCI H69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(guò)程[38]。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)[39]。

微流控芯片可滿足生物分子和細(xì)胞的檢測(cè)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(cè)物質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)便捷性操作和定量檢測(cè)，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(guò)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(zhǎng)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(guò)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[41]。

此外，隨著納米技術(shù)的發(fā)展和普及，以納米金顆粒[42]、納米磁珠[43]、納米線[44]等為代表的納米材料近年來(lái)已開(kāi)始用于微流控芯片POCT檢測(cè)，對(duì)擴(kuò)大POCT適用檢測(cè)范圍、實(shí)現(xiàn)檢測(cè)物質(zhì)分離和活體在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)等單元；另一方面，需針對(duì)用戶和市場(chǎng)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(rùn)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(cè)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(guò)濾結(jié)構(gòu)分離等方案實(shí)現(xiàn)定向提取[35]。其中，由于納米磁珠的良好分離性能和生物相容性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞POCT檢測(cè)分離。檢測(cè)原理方面，通常采用光電檢測(cè)和電化學(xué)檢測(cè)。其中電化學(xué)檢測(cè)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(cè)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(cè)或目標(biāo)成像[46,47]。

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[11]。近年來(lái)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)[48]。對(duì)于血糖檢測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的讀取、顯示、上傳、管理[49]。

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。如圖8(a)所示，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(kāi)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(cè)，可在2分鐘內(nèi)輸出檢測(cè)結(jié)果。如圖8(b)、圖8(c)所示，HemoCue公司和Chempaq公司開(kāi)發(fā)的血液分析儀器，僅需10 μL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(cè)定，可滿足社區(qū)醫(yī)院和診所的醫(yī)學(xué)檢測(cè)需求。從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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(guó)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(wèn)題是如何建立有效的行業(yè)規(guī)范，并通過(guò)日益嚴(yán)苛的資質(zhì)認(rèn)證。

圖8　部分微流控芯片POCT儀器產(chǎn)品Fig.8　Some Commercial Microfluidic Chip-based POCT Products

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(shì)，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(cè)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(wèn)題亟待解決：（1）系統(tǒng)集成問(wèn)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(cè)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(cè)等功能，并合理化設(shè)計(jì)閥、液路、反應(yīng)池等單元[53]；（2）易用性問(wèn)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(wú)技術(shù)背景人員，需進(jìn)一步完善其操作的簡(jiǎn)易性，強(qiáng)化其對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)性[54]，降低因操作不熟練導(dǎo)致的不精確或錯(cuò)誤檢測(cè)結(jié)果，提高儀器檢測(cè)結(jié)果的可靠性；（3）質(zhì)量控制問(wèn)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(cè)結(jié)果較高的不確定性限制了其推廣和用于臨床決策[55,56]。

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(guò)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(chǎng)實(shí)時(shí)診斷具有廣闊應(yīng)用前景[57]。（2）設(shè)備信息化：隨消費(fèi)電子產(chǎn)品和無(wú)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(guò)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(cè)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(jìng)技、海關(guān)口岸、應(yīng)急輔助醫(yī)療等諸多領(lǐng)域[58]。

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Microfl uidic Lab-on-a-chip Technologies for Point-of-care Testing System: A Review

LI Xiaoqiong, YANG Chunhua, PAN Shaowu, HAN Jie, KUANG Yuxiang, SHI Qingfeng
School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

Point-of-care testing (POCT) mainly aims at achieving quick and easy medical testing for clinical applications. With advantages of good real-time performance, lower overall costs and independence of expensive equipment, it has been widely used for application areas such as clinical monitoring, inspection and quarantine, home health care and et al. As one of the most important technologies to build POCT instruments, microfl uidic chip is able to fabricate complex system and provide a high testing precision for trace samples. According to different properties of various test objects, the research status of POCT testing technologies based on microfl uidic chip for nucleic acid rest; protein test; cell test was reviewed in this paper. Considering clinical needs of POCT, some basic-research fi ndings of microfl uidic chip for POCT applications were introduced then, which covered microfl uidic chip building techniques, systematization concepts, merchandise design and et al. Finally, research diffi culties and development tendency of POCT microfl uidic chip were discussed.

Point-of-care Testing (POCT); Microfl uidic Chip; Nucleic Acid Test; Protein Test; Cell Test; Productization

V448.15

A doi 10.11966/j.issn.2095-994X.2015.01.01.05

2015-03-12；

2015-03-12

國(guó)家重大科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)專項(xiàng)（2012YQ04014001）

李曉瓊(通信作者)，副教授，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)檢測(cè)儀器，電子信箱：aeople@126.com；楊春華，博士研究生，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)檢測(cè)儀器，電子信箱：young.20@qq.com

引用格式：李曉瓊，楊春華，潘邵武，等.面向POCT應(yīng)用的微流控芯片技術(shù)綜述[J].世界復(fù)合醫(yī)學(xué), 2015 , 1(1): 30-37.