微流控技术在临床检验中的应用

微流控是指在微尺度上精确控制和操纵流体的技术。20世纪80年代，微流控技术开始出现，最初被称为"微型全分析系统"( miniaturized total analysis systems, mTAS)，或者"芯片实验室"(laboratory on a chip, LOC)，在经历了兴起与冷落的不同时期后，目前开始实现了商业化。

微流控技术是伴随着微机电加工系统(micro－electro－mechanical systems，MEMS)技术而出现的，可以视为MEMS技术在流体处理方面的一个分支应用，将大型实验室系统缩微在玻璃或者塑料基质上，在微米级尺度构造出操控液体的管道、反应池和其他部件，并整合样品处理、试剂操作、反应和检测等全部过程，提供一个完整的解决方案。

这一技术可以减少样品/试剂消耗，降低污染风险和分析成本，而且本身具有高灵敏度和特异性，结合互联网技术后，便携式微流控设备将给临床检验带来很大的变化，为临床检验直接走入基层医疗机构或者家庭个人创造机遇，提供全新的智能化和实时化监测。

微流控技术类型

目前，通过工程、物理、化学、生物、纳米技术的交叉应用，微流控技术已从单通道器件迅速发展到目前的多路复用、自动化和高通量的复杂分析系统。早期的微流控产品多数结构较为简单，依靠毛细作用或离心力，或者直接利用体积较大的气泵实现液体的驱动；目前的微流控芯片集成了更多主动器件，如微泵、微阀、微喷头，进行液体的精准操控，真正实现了智能化的高通量微流控芯片。

通常，微流控芯片采用类似半导体的MEMS技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上。芯片从制作材料可分为硅片和玻璃等无机材料，或者聚碳酸酯(polycarbonate, PC)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)等有机聚合物。相对来说，有机聚合物材料加工制备过程更为简单，尤其是PDMS具有很好的弹性，可用于制备微气泵、微阀等需要变形的结构，因此，目前一些需要复杂流路的微流控芯片多采用有机聚合物制作，相应的加工制备方法也以软光刻技术为主，可以实现不规则曲面的三维结构制造。

在微尺度环境中，液体的流体现象与宏观尺度上有着显著的不同，重力产生的相对效应大大降低，而表面张力和毛细管力导致的阻力很大。因此，需要通过微泵、电泳、离心等方法驱动芯片中微尺度液体的流动，再通过微分离器、微混合器、微反应器等在芯片上实现各种反应。

微流控芯片体积非常小，信号检测器要具有更高的灵敏度和信噪比，更快的响应速度，才能满足临床检验要求的低检测限、高灵敏度、良好的重复性和较宽的线性范围等。因此，激光诱导荧光、电化学和化学发光等多种检测手段已经被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量分析。

微流控技术在临床生物化学中的应用

微流控芯片在临床生物化学检测中的品种较少，目前的研发多是为基层医疗机构的使用。通常使用圆盘式结构，利用离心力实现血清分离，试剂加样等过程，也被称之为盘片实验室(lab－on－a－disc, LOD)。这种芯片通常采用多级微流通道和微阀结构，能够整合样本处理、试剂加样和比色检测等全部过程，同时完成多项生化指标组合项目，满足临床检测的需要。

使用该芯片时，可直接进行全血或者指尖末梢血加样，在离心的过程中，血清通过独立的毛细管道进行自动分离并与稀释液混合，通过离心力再将溶液转运至比色孔中，与孔里存放的冻干试剂小球混合；过量的样本将进入废液槽中，由于比色孔是固定容积，如果比色孔没有加满的话，会因为样本量不足而中止反应监测。与大型生化分析仪相比，微流控芯片目前在重复性、线性和精密度等方面还有欠缺，只能基本满足临床初筛的要求。目前国内博奥公司开发了类似的基于微流控的生化分析仪，正在进行临床前的相关研究。这种盘式微流控芯片由于样品处理体系完善，除生化项目外，很多免疫检测和核酸检测也经常采用这种结构。

微流控技术在临床免疫检测中的应用

与生化项目使用的微流控芯片相比，在临床免疫分析项目的芯片相对较为简单，加样后通常通过微泵和阀门的配合，进行样本混合、捕获和检测。毛细管道的相对表面积非常大，在抗体包被在表面后，可以更有效地捕获低浓度抗原。但是在检测模块上，免疫芯片的抗体标记方法众多，与生化芯片相比，检测方式也更加多样；除了酶标记使用比色方法，可以根据标记方式分为直接检测荧光、化学发光、生物发光等。

因为微流控使用的毛细管道可以大规模平行设计与制备，对检测样本的用量也较少，可以实现多项目平行检测，尤其适合免疫项目的开展。由于便携性好，很多感染、心肌疾病等急诊项目都首先在基层单位或者临床科室展开应用。国家食品药品监督管理总局已经审批了中新科炬、万孚生物、华迈兴微等公司的一些心衰和心梗相关标志物的基于微流控的免疫检测仪器和配套试剂。

微流控技术在核酸检测中的应用

微流控芯片很早就应用于核酸的检测，从核酸提取到PCR，再到直接荧光检测，间接的分子杂交检测，或者电泳分离检测，都可以集成到微流控芯片上。在样本制备方面，因涉及细胞裂解和核酸提取纯化，这部分通常比其他类型的微流控复杂，需要一系列的微泵和阀门进行配合。而扩增反应相对简单，样品通过毛细管连续流过不同温度的区域，实现温度的周期性变化；近年来出现的等温扩增技术，则进一步简化了芯片技术。除了荧光定量检测方法直接检测产物的有或无；也可以通过毛细管电泳对扩增片段进行检测，例如短串联重复序列(short tandem repeat, STR)检测；或者通过毛细管导流至杂交区进行分子分型，如流感病毒或者HPV病毒的分型。

与其他芯片相同，核酸检测的微流控芯片也在朝着高通量方向发展，一次检测可以完成多种微生物鉴定，多种药物敏感基因的分型，甚至多种遗传病的诊断。目前基于微流控的细胞学检测也逐渐成熟，2018年初，国家食品药品监督管理总局正式审核通过国内自主研发的CellRich™自动化循环肿瘤细胞捕获设备，相信这些新技术将带来全新的临床检验模式。

微流控技术在临床检验领域

优势、问题与应用前景

相对于其他检测方法，微流控技术的一个主要优势就是高通量，也就是一个芯片上可以通过毛细管阵列，集成多个不同的反应体系；另外，微流控反应体积小，需要的样本量也很少，可以对微量的样本完成多种项目的平行分析。目前很多产品都是将各种常用项目组合设置在同一个芯片上便于快速使用。

微流控作为临床检验产品，带来的首要问题是质量控制如何进行，微流控的产品通常是分散使用在不同的地点，而非集中在临床实验室使用，检测卡盒通常也是即用即抛型，不能对第三方质控品和临床样本同时检测，操作人员非常分散，需要进行集中培训；尤其重要的是，对于微流控技术的检测报告，也难以像临床实验室那样由具有一定资质的专业人员进行审核和解读，这些问题都是微流控技术推广需要考虑的重要问题。

微流控芯片是新一代POCT主流技术，可直接在被检对象身边提供快捷有效的检测结果，使得现场检测、诊断和治疗成为一个连续的过程。所以随着医改的进行，基层医院和社区卫生机构可以利用微流控技术解决快速诊断的问题。另一方面，即使在大型综合医院或者其他公共场合，各种呼吸、胃肠道传染病暴发期间，基于微流控芯片的POCT技术对传染病的控制和预防也将发挥更大的作用。在很多临床科室，目前已经开展了急诊项目的POCT检查，为患者的急救起到了积极的作用。

微流控芯片由于技术原因，目前不同产品之间的一致性还比较差，客观上限制了该技术的应用。随着微流控技术的深度产业化，以微流控芯片为核心的微分析系统将广泛进入病房、公共场所或者私人家庭，并与各种手机、电脑等现代信息技术整合，实现移动医疗和健康大数据共享。