微流控技術醫學檢查（poct應用領域
微流控技術是一門涉及多個學科的綜合性技術。 它又稱晶元實驗室（LOC），可以將傳統的實驗室生物和化學實驗集中在幾平方厘公尺的高度整合晶元上。 即時檢測（POCT）作為一種快速、便攜、即時的醫學檢測手段，在傳染病檢測、疾病篩查、疾病預防和術後檢測等領域具有重要意義。 因此，微流控器件已成為POCT技術的主要實現平台。 基於微流控技術的POCT裝置結合了POCT和微流控的優勢，有望在醫學檢測領域大放異彩。 本文介紹了微流控技術與其他技術相結合的應用。
2024年初，新型冠狀病毒（COVID-19）的爆發給人們的生命和健康造成了不可估量的損失，並破壞了世界各地的經濟。 這場突如其來的災難暴露了傳統診斷方法的弊端。 大多數傳統的疾病檢測方法雖然準確，但需要昂貴而複雜的儀器，由實驗室的專業技術人員操作，並且複雜且耗時。 在這場全球大流行的背景下，傳統的檢測方法似乎並不適合快速診斷，因此迫切需要開發可用於病毒快速篩查的及時診斷方法，特別是在欠發達和偏遠的國家和地區，這些國家和地區難以滿足上述傳統檢測方法的嚴格實驗條件。 因此，開發和推廣快速簡便的傳染病檢測方法，對於維護全球公共衛生具有重要意義。
即時檢測 （POCT） 是一種快速簡便的藥物檢測方法。 Poct具有即時性、速度性、簡單性、便攜性、自動化等優點，可以減少實驗室中複雜的樣品處理時間，不受環境限制。 因此，它已成為近年來體外分子診斷領域的研究熱點。 POCT檢測中常用的診斷技術主要包括免疫層析法、膠體金法、幹化學法和環介導的等溫擴增（LAMP）等。 近年來，隨著科技的進步、感測技術的發展、先進製造技術和物聯網的發展，微、便捷、整合的微流控晶元技術和生物感測器技術越來越多地應用於POCT檢測，在該領域具有明顯的優勢。
本文重點介紹了微流控、生物感測技術和LAMP技術在POCT醫學檢測領域的關鍵技術（圖1）。
無花果微流控技術及其在POCT中的整合應用。
微流控科技
微流控是一門在微納尺度空間中精確控制和操縱微奈米流體的科學技術。 微流控晶元，也稱為晶元實驗室（LOC），是用於實現微流控技術的技術平台和裝置之一。 微流控晶元可以將生物化學實驗中涉及的基本功能單元整合在幾平方厘公尺的晶元上，如樣品製備、反應、分離、檢測等。 流體通過微通道流向每個反應單元。 微流控晶元的基本特徵和優勢是將多個技術單元靈活組合、規模化整合在乙個微平台上，是一門涉及物理、化學、材料科學、醫學、力學、光學、機械工程、微加工、生物工程等學科的交叉學科。
微流控技術在POCT中的應用
3.1、微流控晶元檢測技術
微流控晶元的訊號採集和檢測裝置是微流控功能部件的重要組成部分。 為了在幾平方厘公尺的微流控晶元上完成檢測過程，無疑對檢測方法和裝置的要求更加嚴格，至少要滿足體積小、靈敏度高、響應時間快的特點。 微流控晶元的檢測技術包括雷射誘導螢光檢測、紫外吸收分光光度法檢測、化學發光檢測、電化學檢測、質譜檢測、等離子體發射光譜檢測、熱透鏡光譜檢測和生物感測器檢測。 光學檢測和電化學檢測是應用最廣泛的檢測方法。
雷射誘導螢光檢測是最早、應用最廣泛、靈敏度最高的光學檢測方法。 其原理是原子在特定頻率的激發光源下吸收一定波長的光。 原子從低能級變為高能級，並釋放低頻螢光。 雷射誘導螢光是一種以雷射為激發光源，誘導電子躍遷產生螢光的方法。 2006 年，Whitesides 團隊開發了一種使用螢光檢測的 PDMS 片上系統。
化學發光檢測也是一種高度靈敏的檢測方法。 它通過使用發光現象來檢測發光強度來確定物質的含量，其中基態分子在化學反應過程中吸收能量以光輻射的形式轉化為激發態並返回基態。 與光學檢測相比，化學發光檢測不需要光源，裝置簡單，易於小型化和整合化，更適合微流控晶元檢測。 2024年，Lin課題組設計了一種用於多通道檢測的旋轉掃瞄化學發光檢測裝置。
電化學檢測是將物質的化學訊號轉換為電訊號進行分析和測試的檢測方法。 具有靈敏度高、裝置簡單、成本低等優點。 Mathies等人設計了它，以使用鞘流技術和毛細管電泳來檢測分析物。
3.2. 基於LAMP的微流控晶元
微流控技術與核酸診斷的結合是微流控技術最有前途的應用方向之一。 這種組合大大簡化了核酸擴增和檢測的複雜步驟，消除了重型裝置，因此是POCT分子診斷的理想選擇。 等溫擴增技術的核酸擴增過程只需要在恆溫下完成即可。 它不需要複雜的加熱和冷卻溫度系統，大大縮短了反應時間，更適合小型化儀器。 因此，微流控技術與等溫擴增技術相結合，在提高檢測靈敏度和檢測通量的同時，可以發揮兩者的優勢，使其在分子POCT領域具有巨大的發展潛力。
Notomi 等人於 2000 年提出的 LAMP 技術的原理是使用四種特異性引物和一條鏈代替活性 DNA 聚合酶在大約 65 位擴增核酸。 微流控技術可以為LAMP提供靈活的結構平台，如獨立的反應微腔和用於樣品轉移的蛇形流道。 這樣既加快了反應速度，節省了反應試劑，又避免了交叉汙染和氣溶膠洩漏。 近年來，研究人員越來越關注燈具與微流控晶元的結合。
中國經典的LAMP微流控晶元是由首都生物科技設計的離心盤恆溫微流控晶元。 該晶元有 24 個檢測孔，每個孔的體積為 14 l，30 分鐘內出結果。 可實現多個指標的並行檢測，大大減少了檢測時間和成本。 2024年，Kong等人設計了一種基於LAMP技術的可攜式PoCT微流控晶元，用於細菌鑑定。 該晶元結構簡單，在PDMS上構建微通道。 通過將空氣等離子體與玻璃板相結合，利用毛細管虹吸效應和扭矩閥進行流體控制來進行試劑分配。 在擴增過程中，使用65水浴45分鐘以視覺化結果。 也可以通過“樣品輸入，結果輸出”和POCT來識別細菌。 2024年，江的團隊提出了一種基於LAMP技術的用於病原體定量檢測的微流控晶元，稱為微燈（LAMP）。 該結構為PDMS玻璃復合微流控晶元，具有8個錐形進出口通道，可快速靈敏地提供目標核酸的特異性定量鑑定，滿足多通道並行檢測的要求。 擴增反應條件為63水浴1 h，結果目視可見，凝膠電泳確認。 通過濁度吸光度測量、多整合光纖、數字光纖感測器、光學電晶體等，可實現對產品的實時定量分析。 Bau 的研究小組報告了一種用於傳染病 POCT 檢測的 LAMP 反應器整合隔膜。 這種一次性盒包括乙個單燈室，可以在其中分離、濃縮、純化和擴增核酸。 分離膜從洗脫步驟中捕獲並消除核酸。 LAMP反應器可用於檢測與唾液、尿液和其他體液以及水和食物中攜帶的其他病原體相關的核酸。 Luo等人設計了一種用於區分細菌的實時微流控多路復用電化學燈晶元。 這種微流體系統被稱為多重電化學（me-lamp）系統。 ME-LAMP系統結合了LAMP和基於氧化銦錫（ITO）電極的微流控晶元，通過測量電化學訊號對多個基因進行定性和定量分析。 這有可能應用於臨床診斷。 Lee等人提出了一種親水性薄膜燈，用於DNA微流控晶元塗層的數字定量。 這種微流控晶元不需要外部幫浦，而是利用毛細管力來驅動液體的流動。 該設計在POCT診斷中具有廣闊的前景。 LAMP技術還可用於檢測食源性和水源性病原體，以確保食品和飲用水的安全。 具有圓盤或蝶形結構的微流控晶元用於提高性傳播疾病多重檢測的檢測通量和效率，這些晶元已商業化應用。 基於LAMP的微流控晶元還有很多改進之處，未來必將在POCT診斷領域占有一席之地。
4 紙基和混合微流控晶元
紙盤具有成本低、加工簡單、結構靈活、環保、生物相容性好等優點。 微流控紙基晶元與微流控技術相結合，是具有良好應用前景的發展方向。 紙基微流控晶元通常以濾紙為基材，濾紙作為反應區或迴圈區進行親水或疏水處理。 造紙材料獨特的三維孔隙結構提供毛細管力驅動液體流動，材料的親水處理表面允許試劑在那裡吸附和反應。 此外，疏水表面有利於液體的流動。 基材常用的紙張有Whatman系列濾紙、硝酸纖維素膜濾紙、油墨紙、色譜紙、Kleenex紙、各種復合紙等。 紙基微流控晶元加工方法包括光刻、蠟印、柔版印刷、噴墨列印、3D列印和雷射切割。 親水和疏水處理有一步法和兩步法。 一步法對所有材料表面進行單一的親水疏水處理，兩步法是指使用物理沉積、等離子體處理等方法對材料進行區域性處理。 與聚合物基微流控晶元不同，一些紙基微流控晶元不需要關閉，這些被稱為開放通道，因為紙基微流控晶元中的液體在紙纖維內部移動，這簡化了微流控晶元的加工。 此外，混合微流控晶元與聚合物、玻璃、水凝膠等材料相結合，融合了各種材料的優點，使晶元更加全面，是未來微流控晶元最有前途的發展方向之一。
2024年，Wang等人設計了一種一次性微流控裝置，可用於DNA擴增和檢測。 這是一種早期的核酸檢測系統，將微流控技術與橫向層析技術相結合，大大提高了檢測效率。 該裝置引入了乙個溫度敏感的水凝膠閥作為控制開關，不僅可以關閉PCR室，還可以抑制氣泡的形成。 微流控箱的檢測方法是用紅外雷射激發螢光粒子產生螢光。 細胞裂解、DNA分離、純化、擴增、檢測的整個過程都可以在單個晶元上完成，從而實現對病原體和體液的一次性、獨立、快速檢測。 2024年，哈佛大學懷特塞德分校的乙個團隊首次提出了一種基於紙張的微流控晶元，並用它來分析血糖、尿酸和乳酸等代謝物。 Dou等人（2016）開發了一種PDMS紙玻璃混合微流控晶元，用於檢測多種病原體。 晶元有三層。 PDMS的上層用於轉移試劑，它包括四個微通道和乙個進樣口。 中間層是反應區，由八個孔組成，由四個微通道連線。 測定室、陰性對照室和色譜紙也放置在中間層。 纖維素紙的3D多孔結構有利於保護DNA引物免受不利環境的影響，並能有效防止氣溶膠的形成，氣溶膠會導致引物在空氣中的流失。 因此，高分子紙基復合晶元具有更長的使用壽命。 一樓由玻璃碎片支撐。 混合晶元的加工方法是雷射切割，操作快速且易於操作。 鍵合方法是氧離子鍵合，以鍵合玻璃和PDMS。 入口和出口用環氧樹脂封裝。 副產物焦磷酸鹽與錳離子結合形成絡合物，鈣黃綠素與錳離子結合產生螢光，1小時內肉眼可直接觀察到。 混合微流控晶元可用於檢測多種病原體，靈敏度和特異性高，成本低，速度快，無需儀器。 尹氏課題組將桐神技術引入3D結構，將2D解耦的思想延伸到3D空間解耦，設計了具有多種變形模式的通用3D解耦模組。 Li 和 Liu 利用摺紙技術設計了一套三維多功能一體化紙基微流控分析系統，可實現對四個腫瘤標誌物的並行檢測。 研究人員認為，模組化設計和組裝將獨立於尺寸和材料，他們的研究有望在可重構超材料、機械人和建築設計領域找到潛在的應用。 摺紙技術的引入為紙基微流控晶元的發展提供了新的思路。 LI團隊結合LAMP技術、微流控技術和生物感測技術，設計了一種基於光碟（CD）結構的紙-聚合物混合微流控奈米感測器，用於檢測腦膜炎和其他傳染病。 該晶元只需幾十美分，硬幣大小，即可有效儲存引物73天，便於後續擴增，提高檢測靈敏度和穩定性。 該晶元體積小、便攜、成本低、速度快，可定量檢測多種病原菌。 它非常適合偏遠、欠發達和貧困地區，對促進這些地區的醫學診斷具有重要意義。 2024年，寧博士的研究小組設計了一種自主毛細血管微流控晶元（ACMC），通過使用毛細血管驅動、自聚焦透鏡光學檢測和定製的移動應用程式來實現POCT床旁梗死檢測。 測試結果將傳輸給醫院和使用者。 此外，在分析化學領域，還有紙質POCT與電化學生物感測器相結合，用於檢測分泌物和生物標誌物。 紙基微流控晶元在POCT領域具有巨大的應用潛力。
微流控生物感測器
近幾十年來，人們的健康意識越來越強，對某些疾病，尤其是傳染病的預防和診斷的需求越來越大。 整合微流控晶元的生物感測器用於POCT診斷，滿足快速檢測的要求，已成為研究熱點。 微流控技術與先進生物感測技術的結合，催生了許多優秀的小型分析平台，能夠實現微納液體的精確控制，並在小型平台上整合各種型別的生物陣列。 這種微流控整合生物感測器裝置具有許多優點，例如試劑消耗低、反應時間短、自動化樣品製備、高通量分析、最小有害物質處理、平行檢測、高檢測精度、靈活的設計和小型化、便攜性、低成本和一次性使用。
生物感測器技術是指能夠感知或響應化學和生物資訊，並將化學或生物訊號轉換為電或光訊號，並按照一定規則進行識別的技術。 POCT是一門集生物學、化學、材料學、光學、微電子學等學科於一體的先進技術。 它快速、靈敏、低成本，檢測裝置易於自動化和小型化。 POCT在醫學診斷中具有廣闊的應用前景。 生物感測器是以生物實體為識別元件，通過特定目標將生物訊號轉換為易於測量的訊號，如光、電、熱、壓力、質量等，以檢測各種生物實體的感測器。 生物感測器有三個主要部分。 一種由用於檢測的生物實體組成，包括DNA、動植物組織、細菌、微生物、細胞、酶、抗體、蛋白質、核酸、葡萄糖、氨基酸和乳酸。 第二種是檢測轉換器，用於檢測生物訊號並將其轉換為其他可測量的訊號。 三是用於顯示分析結果的顯示裝置和訊號處理裝置。 生物感測器可分為兩大類：微陣列生物感測器和微通道生物感測器，後者是整合微流控晶元的生物感測器。 此外，根據生物分子的不同，微通道生物感測器可分為核酸生物感測器、酶生物感測器、免疫生物感測器、細菌生物感測器、微生物感測器、細胞感測器和仿生感測器。 根據訊號檢測原理的不同，微通道生物感測器可分為電化學生物感測器、光學生物感測器、熱敏電阻感測器、場效應電晶體感測器、壓電石英晶體感測器、質量感測器和表面等離子體共振感測器。 生物感測器可用於生物分子的定性和定量分析。 妊娠試驗和血糖儀是目前商業上成功的生物感測器，但目前使用的大多數生物感測器都依賴實驗室儀器進行感測，不適用於POCT快速檢測系統。 近年來，科學家們致力於開發可攜式、小型化、低成本和易於操作的生物感測器。 因此，將微流控技術與生物感測器相結合的微流控生物感測器應運而生。 整合微流控生物感測器的POCT裝置在臨床檢測、生化分析、疾病診斷、食品安全、環境監測、國防、反恐措施、生物戰劑等領域具有巨大的應用潛力。 它們更有效、更具體、更靈敏、更便攜、更易於自動化且更易於讀取結果。 生物感測器的原理圖和應用如圖2所示。
圖2：生物感測器應用示意圖。
Sia等人設計了一種基於光學檢測的微流控生物晶元，用於HIV的診斷，為偏遠地區的低成本疾病預防和診斷帶來了希望。 Crook的團隊將紙基微流控晶元與生物感測器相結合，使用印刷和摺紙技術生產了一種用於腺苷檢測的三維紙基微流控晶元生物感測器。 Rushling等人使用印刷碳電極作為CD上的基底，製備PDMS微通道，並插入銀和鉑電極形成電化學感測，用於檢測血清標誌物。 關於生物發光細菌的檢測也有一些研究。 這些微流控生物感測器通常由包含微通道的微流控晶元、用於感測目標的活性細胞和換能器組成。 根據細菌的狀態，這些研究可分為細菌懸浮、凍乾和固定型別。 細菌懸浮是指懸浮在液體中的細菌，細菌凍乾是指製造凍乾粉的細菌，細菌固定是指將細菌固定在一次性樣品池、光纖或晶元上。 例如，Eltzov小組開發的用於檢測水中有毒汙染物的光纖監測系統是將細菌固定在光纖上。 Jouanneau等人設計了一種用於檢測重金屬的微流控生物感測器。 如今，隨著智慧型手機的普及，與手機整合的微流控生物感測器可以利用手機的攝影、感測和藍芽等功能，向使用者和雲端提供實時、同步的檢測結果反饋。 整合智慧型手機的微流控生物感測器是具有巨大市場前景的新一代智慧型生物感測器。 Ozcan的團隊開發了一種安裝在智慧型手機上的POCT快速檢測診斷裝置，該裝置從相機獲取影象並將其連線到定製的應用程式進行同步處理。 然後，它會自動輸出診斷結果並將其傳送給使用者和醫療機構。 研究人員可以成功地使用該裝置檢測愛滋病毒、愛滋病、結核病、瘧疾和各種傳染病。 極大地方便了流行病的預防、監測和診斷，也為促進偏遠地區傳染病的快速診斷提供了條件。
6 微流控晶元的研究進展
此外，微流控技術還應用於疾病診斷、細菌篩查、免疫和生化反應、酶蛋白識別、類器官技術等領域。 2024年，新加坡南洋理工大學侯等人開發的exodff微流控晶元被用於評估糖尿病患者的血管健康狀況。 Exodff 使用離心力和流體力學將囊泡細胞從血液中分離出來進行分析。 與傳統的血液分離器相比，exodff晶元的成本僅為幾元，大大降低了檢測成本。 該晶元可幫助患者快速監測其血管的健康狀況，具有巨大的商業潛力。 2021 年 7 月，《科學》雜誌報道稱，一種名為高通量微流控酶動力學 （HT-MEK） 的微流控玻璃晶元可以在短短幾個小時內同時檢測 1,000 多種酶的突變。 它的價格僅為10美元，大小約為7平方厘公尺，包含1,568個微孔，每個微孔都可以測試一種酶。 液滴微流控是高通量檢測常用的微流控技術之一。 來自中國科學院（CAS）的Meng Wang團隊設計了一種液滴包埋微流控技術，用於每小時高通量篩選10,000株鏈黴菌。 這項工作發表在《自然》雜誌上。 中國科學院深圳先進技術研究院的研究人員設計了一種微流控晶元，可以一步從全血樣本中分離出高純度的迴圈腫瘤細胞（CTCs）和迴圈融合細胞（CFCs），並進行高通量單細胞轉錄組測序。 數字微流控晶元是一種高通量微流控晶元，它使用晶元上的電極陣列形成電訊號來控制液滴。 原理是利用表面張力的差異來控制液滴，核心技術是如何高效穩定地生產液滴。 近日，中科院蘇州生物醫學工程技術研究所的研究人員提出了一種數字微流控晶元，可以將乙個大液滴分成三個小液滴。 較小的液滴尺寸可能會突破最小體積限制。 該技術成功地實現了小液滴的有效分離。 結合其他功能模組，開發了乙個全自動數字微流控分析平台，可以在10分鐘內並行檢測5個樣品。 該平台可用於免疫診斷、疾病監測、指導和預後評估。 研究人員設計了一種微流控平台，可以準確量化和分析單細胞隆起的形成過程，並利用微流控技術實現線粒體特異性藥物的快速篩選，這將對新型抗癌藥物的開發產生積極影響。 該研究成果發表在《分析化學》雜誌上。 流體電路板與微流控裝置相結合，用於自動化細胞培養和精確的流體控制。 使用這種新的模組化微流控系統，使用者可以獲得更大的靈活性。
7 總結與展望
近年來，POCT作為體外診斷（IVD）的重要組成部分，引起了各大高校、研究機構和IVD企業的關注。 微流控技術作為一項多學科技術，無論是從技術本身的優勢還是從國家層面來看，都已作為POCT技術的主要實施平台。 快速、便攜、高靈敏度、高特異性的POCT分子診斷產品成為市場新寵。 由於其快速發展，微流控技術逐漸成為POCT診斷的主要手段，但也存在挑戰和機遇。 然而，目前微流控產品大多侷限於實驗室階段的科研，市場上成熟的產品並不多。 微流控技術的應用存在諸多問題，如受限於超高精度加工的要求，以及微納尺寸液體的精確控制難度、微通道表面改性的挑戰、如何低成本實現快速量產等。 成本和效率一直是需要解決的問題。 經過多年的研究，越來越多的新興技術開始應用於微流控技術，涉及新一代製造技術、晶元材料選擇、放大和檢測方法，以及感測等領域，如3D列印技術、LAMP技術、生物感測技術、紙基微流控晶元、奈米材料基微流控晶元、混合基微流控晶元等。 多種功能材料的引入，使得多功能微流控晶元的開發成為可能，極大地拓展了微流控晶元的應用領域。 相關科研人員和從業人員應抓住機遇，及時應對挑戰，讓微流控技術在生物醫藥行業大放異彩。