微流控技术医学检查（poct应用领域
微流控技术是一门涉及多个学科的综合性技术。 它又称芯片实验室（LOC），可以将传统的实验室生物和化学实验集中在几平方厘米的高度集成芯片上。 即时检测（POCT）作为一种快速、便携、即时的医学检测手段，在传染病检测、疾病筛查、疾病预防和术后检测等领域具有重要意义。 因此，微流控器件已成为POCT技术的主要实现平台。 基于微流控技术的POCT设备结合了POCT和微流控的优势，有望在医学检测领域大放异彩。 本文介绍了微流控技术与其他技术相结合的应用。
2024年初，新型冠状病毒（COVID-19）的爆发给人们的生命和健康造成了不可估量的损失，并破坏了世界各地的经济。 这场突如其来的灾难暴露了传统诊断方法的弊端。 大多数传统的疾病检测方法虽然准确，但需要昂贵而复杂的仪器，由实验室的专业技术人员操作，并且复杂且耗时。 在这场全球大流行的背景下，传统的检测方法似乎并不适合快速诊断，因此迫切需要开发可用于病毒快速筛查的及时诊断方法，特别是在欠发达和偏远的国家和地区，这些国家和地区难以满足上述传统检测方法的严格实验条件。 因此，开发和推广快速简便的传染病检测方法，对于维护全球公共卫生具有重要意义。
即时检测 （POCT） 是一种快速简便的药物检测方法。 Poct具有即时性、速度性、简单性、便携性、自动化等优点，可以减少实验室中复杂的样品处理时间，不受环境限制。 因此，它已成为近年来体外分子诊断领域的研究热点。 POCT检测中常用的诊断技术主要包括免疫层析法、胶体金法、干化学法和环介导的等温扩增（LAMP）等。 近年来，随着科技的进步、传感技术的发展、先进制造技术和物联网的发展，微、便捷、集成的微流控芯片技术和生物传感器技术越来越多地应用于POCT检测，在该领域具有明显的优势。
本文重点介绍了微流控、生物传感技术和LAMP技术在POCT医学检测领域的关键技术（图1）。
无花果微流控技术及其在POCT中的集成应用。
微流控科技
微流控是一门在微纳尺度空间中精确控制和操纵微纳米流体的科学技术。 微流控芯片，也称为芯片实验室（LOC），是用于实现微流控技术的技术平台和设备之一。 微流控芯片可以将生物化学实验中涉及的基本功能单元集成在几平方厘米的芯片上，如样品制备、反应、分离、检测等。 流体通过微通道流向每个反应单元。 微流控芯片的基本特征和优势是将多个技术单元灵活组合、规模化集成在一个微平台上，是一门涉及物理、化学、材料科学、医学、力学、光学、机械工程、微加工、生物工程等学科的交叉学科。
微流控技术在POCT中的应用
3.1、微流控芯片检测技术
微流控芯片的信号采集和检测装置是微流控功能部件的重要组成部分。 为了在几平方厘米的微流控芯片上完成检测过程，无疑对检测方法和设备的要求更加严格，至少要满足体积小、灵敏度高、响应时间快的特点。 微流控芯片的检测技术包括激光诱导荧光检测、紫外吸收分光光度法检测、化学发光检测、电化学检测、质谱检测、等离子体发射光谱检测、热透镜光谱检测和生物传感器检测。 光学检测和电化学检测是应用最广泛的检测方法。
激光诱导荧光检测是最早、应用最广泛、灵敏度最高的光学检测方法。 其原理是原子在特定频率的激发光源下吸收一定波长的光。 原子从低能级变为高能级，并释放低频荧光。 激光诱导荧光是一种以激光为激发光源，诱导电子跃迁产生荧光的方法。 2006 年，Whitesides 团队开发了一种使用荧光检测的 PDMS 片上系统。
化学发光检测也是一种高度灵敏的检测方法。 它通过使用发光现象来检测发光强度来确定物质的含量，其中基态分子在化学反应过程中吸收能量以光辐射的形式转化为激发态并返回基态。 与光学检测相比，化学发光检测不需要光源，设备简单，易于小型化和集成化，更适合微流控芯片检测。 2024年，Lin课题组设计了一种用于多通道检测的旋转扫描化学发光检测装置。
电化学检测是将物质的化学信号转换为电信号进行分析和测试的检测方法。 具有灵敏度高、设备简单、成本低等优点。 Mathies等人设计了它，以使用鞘流技术和毛细管电泳来检测分析物。
3.2. 基于LAMP的微流控芯片
微流控技术与核酸诊断的结合是微流控技术最有前途的应用方向之一。 这种组合大大简化了核酸扩增和检测的复杂步骤，消除了重型设备，因此是POCT分子诊断的理想选择。 等温扩增技术的核酸扩增过程只需要在恒温下完成即可。 它不需要复杂的加热和冷却温度系统，大大缩短了反应时间，更适合小型化仪器。 因此，微流控技术与等温扩增技术相结合，在提高检测灵敏度和检测通量的同时，可以发挥两者的优势，使其在分子POCT领域具有巨大的发展潜力。
Notomi 等人于 2000 年提出的 LAMP 技术的原理是使用四种特异性引物和一条链代替活性 DNA 聚合酶在大约 65 位扩增核酸。 微流控技术可以为LAMP提供灵活的结构平台，如独立的反应微腔和用于样品转移的蛇形流道。 这样既加快了反应速度，节省了反应试剂，又避免了交叉污染和气溶胶泄漏。 近年来，研究人员越来越关注灯具与微流控芯片的结合。
中国经典的LAMP微流控芯片是由首都生物科技设计的离心盘恒温微流控芯片。 该芯片有 24 个检测孔，每个孔的体积为 14 l，30 分钟内出结果。 可实现多个指标的并行检测，大大减少了检测时间和成本。 2024年，Kong等人设计了一种基于LAMP技术的便携式PoCT微流控芯片，用于细菌鉴定。 该芯片结构简单，在PDMS上构建微通道。 通过将空气等离子体与玻璃板相结合，利用毛细管虹吸效应和扭矩阀进行流体控制来进行试剂分配。 在扩增过程中，使用65水浴45分钟以可视化结果。 也可以通过“样品输入，结果输出”和POCT来识别细菌。 2024年，江的团队提出了一种基于LAMP技术的用于病原体定量检测的微流控芯片，称为微灯（LAMP）。 该结构为PDMS玻璃复合微流控芯片，具有8个锥形进出口通道，可快速灵敏地提供目标核酸的特异性定量鉴定，满足多通道并行检测的要求。 扩增反应条件为63水浴1 h，结果目视可见，凝胶电泳确认。 通过浊度吸光度测量、多集成光纤、数字光纤传感器、光学晶体管等，可实现对产品的实时定量分析。 Bau 的研究小组报告了一种用于传染病 POCT 检测的 LAMP 反应器集成隔膜。 这种一次性盒包括一个单灯室，可以在其中分离、浓缩、纯化和扩增核酸。 分离膜从洗脱步骤中捕获并消除核酸。 LAMP反应器可用于检测与唾液、尿液和其他体液以及水和食物中携带的其他病原体相关的核酸。 Luo等人设计了一种用于区分细菌的实时微流控多路复用电化学灯芯片。 这种微流体系统被称为多重电化学（me-lamp）系统。 ME-LAMP系统结合了LAMP和基于氧化铟锡（ITO）电极的微流控芯片，通过测量电化学信号对多个基因进行定性和定量分析。 这有可能应用于临床诊断。 Lee等人提出了一种亲水性薄膜灯，用于DNA微流控芯片涂层的数字定量。 这种微流控芯片不需要外部泵，而是利用毛细管力来驱动液体的流动。 该设计在POCT诊断中具有广阔的前景。 LAMP技术还可用于检测食源性和水源性病原体，以确保食品和饮用水的安全。 具有圆盘或蝶形结构的微流控芯片用于提高性传播疾病多重检测的检测通量和效率，这些芯片已商业化应用。 基于LAMP的微流控芯片还有很多改进之处，未来必将在POCT诊断领域占有一席之地。
4 纸基和混合微流控芯片
纸盘具有成本低、加工简单、结构灵活、环保、生物相容性好等优点。 微流控纸基芯片与微流控技术相结合，是具有良好应用前景的发展方向。 纸基微流控芯片通常以滤纸为基材，滤纸作为反应区或循环区进行亲水或疏水处理。 造纸材料独特的三维孔隙结构提供毛细管力驱动液体流动，材料的亲水处理表面允许试剂在那里吸附和反应。 此外，疏水表面有利于液体的流动。 基材常用的纸张有Whatman系列滤纸、硝酸纤维素膜滤纸、油墨纸、色谱纸、Kleenex纸、各种复合纸等。 纸基微流控芯片加工方法包括光刻、蜡印、柔版印刷、喷墨打印、3D打印和激光切割。 亲水和疏水处理有一步法和两步法。 一步法对所有材料表面进行单一的亲水疏水处理，两步法是指使用物理沉积、等离子体处理等方法对材料进行局部处理。 与聚合物基微流控芯片不同，一些纸基微流控芯片不需要关闭，这些被称为开放通道，因为纸基微流控芯片中的液体在纸纤维内部移动，这简化了微流控芯片的加工。 此外，混合微流控芯片与聚合物、玻璃、水凝胶等材料相结合，融合了各种材料的优点，使芯片更加全面，是未来微流控芯片最有前途的发展方向之一。
2024年，Wang等人设计了一种一次性微流控装置，可用于DNA扩增和检测。 这是一种早期的核酸检测系统，将微流控技术与横向层析技术相结合，大大提高了检测效率。 该装置引入了一个温度敏感的水凝胶阀作为控制开关，不仅可以关闭PCR室，还可以抑制气泡的形成。 微流控箱的检测方法是用红外激光激发荧光粒子产生荧光。 细胞裂解、DNA分离、纯化、扩增、检测的整个过程都可以在单个芯片上完成，从而实现对病原体和体液的一次性、独立、快速检测。 2024年，哈佛大学怀特塞德分校的一个团队首次提出了一种基于纸张的微流控芯片，并用它来分析血糖、尿酸和乳酸等代谢物。 Dou等人（2016）开发了一种PDMS纸玻璃混合微流控芯片，用于检测多种病原体。 芯片有三层。 PDMS的上层用于转移试剂，它包括四个微通道和一个进样口。 中间层是反应区，由八个孔组成，由四个微通道连接。 测定室、阴性对照室和色谱纸也放置在中间层。 纤维素纸的3D多孔结构有利于保护DNA引物免受不利环境的影响，并能有效防止气溶胶的形成，气溶胶会导致引物在空气中的流失。 因此，高分子纸基复合芯片具有更长的使用寿命。 一楼由玻璃碎片支撑。 混合芯片的加工方法是激光切割，操作快速且易于操作。 键合方法是氧离子键合，以键合玻璃和PDMS。 入口和出口用环氧树脂封装。 副产物焦磷酸盐与锰离子结合形成络合物，钙黄绿素与锰离子结合产生荧光，1小时内肉眼可直接观察到。 混合微流控芯片可用于检测多种病原体，灵敏度和特异性高，成本低，速度快，无需仪器。 尹氏课题组将桐神技术引入3D结构，将2D解耦的思想延伸到3D空间解耦，设计了具有多种变形模式的通用3D解耦模块。 Li 和 Liu 利用折纸技术设计了一套三维多功能一体化纸基微流控分析系统，可实现对四个肿瘤标志物的并行检测。 研究人员认为，模块化设计和组装将独立于尺寸和材料，他们的研究有望在可重构超材料、机器人和建筑设计领域找到潜在的应用。 折纸技术的引入为纸基微流控芯片的发展提供了新的思路。 LI团队结合LAMP技术、微流控技术和生物传感技术，设计了一种基于光盘（CD）结构的纸-聚合物混合微流控纳米传感器，用于检测脑膜炎和其他传染病。 该芯片只需几十美分，硬币大小，即可有效储存引物73天，便于后续扩增，提高检测灵敏度和稳定性。 该芯片体积小、便携、成本低、速度快，可定量检测多种病原菌。 它非常适合偏远、欠发达和贫困地区，对促进这些地区的医学诊断具有重要意义。 2024年，宁博士的研究小组设计了一种自主毛细血管微流控芯片（ACMC），通过使用毛细血管驱动、自聚焦透镜光学检测和定制的移动应用程序来实现POCT床旁梗死检测。 测试结果将传输给医院和用户。 此外，在分析化学领域，还有纸质POCT与电化学生物传感器相结合，用于检测分泌物和生物标志物。 纸基微流控芯片在POCT领域具有巨大的应用潜力。
微流控生物传感器
近几十年来，人们的健康意识越来越强，对某些疾病，尤其是传染病的预防和诊断的需求越来越大。 集成微流控芯片的生物传感器用于POCT诊断，满足快速检测的要求，已成为研究热点。 微流控技术与先进生物传感技术的结合，催生了许多优秀的小型分析平台，能够实现微纳液体的精确控制，并在小型平台上集成各种类型的生物阵列。 这种微流控集成生物传感器设备具有许多优点，例如试剂消耗低、反应时间短、自动化样品制备、高通量分析、最小有害物质处理、平行检测、高检测精度、灵活的设计和小型化、便携性、低成本和一次性使用。
生物传感器技术是指能够感知或响应化学和生物信息，并将化学或生物信号转换为电或光信号，并按照一定规则进行识别的技术。 POCT是一门集生物学、化学、材料学、光学、微电子学等学科于一体的先进技术。 它快速、灵敏、低成本，检测设备易于自动化和小型化。 POCT在医学诊断中具有广阔的应用前景。 生物传感器是以生物实体为识别元件，通过特定目标将生物信号转换为易于测量的信号，如光、电、热、压力、质量等，以检测各种生物实体的传感器。 生物传感器有三个主要部分。 一种由用于检测的生物实体组成，包括DNA、动植物组织、细菌、微生物、细胞、酶、抗体、蛋白质、核酸、葡萄糖、氨基酸和乳酸。 第二种是检测转换器，用于检测生物信号并将其转换为其他可测量的信号。 三是用于显示分析结果的显示设备和信号处理设备。 生物传感器可分为两大类：微阵列生物传感器和微通道生物传感器，后者是集成微流控芯片的生物传感器。 此外，根据生物分子的不同，微通道生物传感器可分为核酸生物传感器、酶生物传感器、免疫生物传感器、细菌生物传感器、微生物传感器、细胞传感器和仿生传感器。 根据信号检测原理的不同，微通道生物传感器可分为电化学生物传感器、光学生物传感器、热敏电阻传感器、场效应晶体管传感器、压电石英晶体传感器、质量传感器和表面等离子体共振传感器。 生物传感器可用于生物分子的定性和定量分析。 妊娠试验和血糖仪是目前商业上成功的生物传感器，但目前使用的大多数生物传感器都依赖实验室仪器进行传感，不适用于POCT快速检测系统。 近年来，科学家们致力于开发便携式、小型化、低成本和易于操作的生物传感器。 因此，将微流控技术与生物传感器相结合的微流控生物传感器应运而生。 集成微流控生物传感器的POCT装置在临床检测、生化分析、疾病诊断、食品安全、环境监测、国防、反恐措施、生物战剂等领域具有巨大的应用潜力。 它们更有效、更具体、更灵敏、更便携、更易于自动化且更易于读取结果。 生物传感器的原理图和应用如图2所示。
图2：生物传感器应用示意图。
Sia等人设计了一种基于光学检测的微流控生物芯片，用于HIV的诊断，为偏远地区的低成本疾病预防和诊断带来了希望。 Crook的团队将纸基微流控芯片与生物传感器相结合，使用印刷和折纸技术生产了一种用于腺苷检测的三维纸基微流控芯片生物传感器。 Rushling等人使用印刷碳电极作为CD上的基底，制备PDMS微通道，并插入银和铂电极形成电化学传感，用于检测血清标志物。 关于生物发光细菌的检测也有一些研究。 这些微流控生物传感器通常由包含微通道的微流控芯片、用于传感目标的活性细胞和换能器组成。 根据细菌的状态，这些研究可分为细菌悬浮、冻干和固定类型。 细菌悬浮是指悬浮在液体中的细菌，细菌冻干是指制造冻干粉的细菌，细菌固定是指将细菌固定在一次性样品池、光纤或芯片上。 例如，Eltzov小组开发的用于检测水中有毒污染物的光纤监测系统是将细菌固定在光纤上。 Jouanneau等人设计了一种用于检测重金属的微流控生物传感器。 如今，随着智能手机的普及，与手机集成的微流控生物传感器可以利用手机的摄影、传感和蓝牙等功能，向用户和云端提供实时、同步的检测结果反馈。 集成智能手机的微流控生物传感器是具有巨大市场前景的新一代智能生物传感器。 Ozcan的团队开发了一种安装在智能手机上的POCT快速检测诊断设备，该设备从相机获取图像并将其连接到定制的应用程序进行同步处理。 然后，它会自动输出诊断结果并将其发送给用户和医疗机构。 研究人员可以成功地使用该设备检测艾滋病毒、艾滋病、结核病、疟疾和各种传染病。 极大地方便了流行病的预防、监测和诊断，也为促进偏远地区传染病的快速诊断提供了条件。
6 微流控芯片的研究进展
此外，微流控技术还应用于疾病诊断、细菌筛查、免疫和生化反应、酶蛋白识别、类器官技术等领域。 2024年，新加坡南洋理工大学侯等人开发的exodff微流控芯片被用于评估糖尿病患者的血管健康状况。 Exodff 使用离心力和流体力学将囊泡细胞从血液中分离出来进行分析。 与传统的血液分离器相比，exodff芯片的成本仅为几元，大大降低了检测成本。 该芯片可帮助患者快速监测其血管的健康状况，具有巨大的商业潜力。 2021 年 7 月，《科学》杂志报道称，一种名为高通量微流控酶动力学 （HT-MEK） 的微流控玻璃芯片可以在短短几个小时内同时检测 1,000 多种酶的突变。 它的价格仅为10美元，大小约为7平方厘米，包含1,568个微孔，每个微孔都可以测试一种酶。 液滴微流控是高通量检测常用的微流控技术之一。 来自中国科学院（CAS）的Meng Wang团队设计了一种液滴包埋微流控技术，用于每小时高通量筛选10,000株链霉菌。 这项工作发表在《自然》杂志上。 中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员设计了一种微流控芯片，可以一步从全血样本中分离出高纯度的循环肿瘤细胞（CTCs）和循环融合细胞（CFCs），并进行高通量单细胞转录组测序。 数字微流控芯片是一种高通量微流控芯片，它使用芯片上的电极阵列形成电信号来控制液滴。 原理是利用表面张力的差异来控制液滴，核心技术是如何高效稳定地生产液滴。 近日，中科院苏州生物医学工程技术研究所的研究人员提出了一种数字微流控芯片，可以将一个大液滴分成三个小液滴。 较小的液滴尺寸可能会突破最小体积限制。 该技术成功地实现了小液滴的有效分离。 结合其他功能模块，开发了一个全自动数字微流控分析平台，可以在10分钟内并行检测5个样品。 该平台可用于免疫诊断、疾病监测、指导和预后评估。 研究人员设计了一种微流控平台，可以准确量化和分析单细胞隆起的形成过程，并利用微流控技术实现线粒体特异性药物的快速筛选，这将对新型抗癌药物的开发产生积极影响。 该研究成果发表在《分析化学》杂志上。 流体电路板与微流控装置相结合，用于自动化细胞培养和精确的流体控制。 使用这种新的模块化微流控系统，用户可以获得更大的灵活性。
7 总结与展望
近年来，POCT作为体外诊断（IVD）的重要组成部分，引起了各大高校、研究机构和IVD企业的关注。 微流控技术作为一项多学科技术，无论是从技术本身的优势还是从国家层面来看，都已作为POCT技术的主要实施平台。 快速、便携、高灵敏度、高特异性的POCT分子诊断产品成为市场新宠。 由于其快速发展，微流控技术逐渐成为POCT诊断的主要手段，但也存在挑战和机遇。 然而，目前微流控产品大多局限于实验室阶段的科研，市场上成熟的产品并不多。 微流控技术的应用存在诸多问题，如受限于超高精度加工的要求，以及微纳尺寸液体的精确控制难度、微通道表面改性的挑战、如何低成本实现快速量产等。 成本和效率一直是需要解决的问题。 经过多年的研究，越来越多的新兴技术开始应用于微流控技术，涉及新一代制造技术、芯片材料选择、放大和检测方法，以及传感等领域，如3D打印技术、LAMP技术、生物传感技术、纸基微流控芯片、纳米材料基微流控芯片、混合基微流控芯片等。 多种功能材料的引入，使得多功能微流控芯片的开发成为可能，极大地拓展了微流控芯片的应用领域。 相关科研人员和从业人员应抓住机遇，及时应对挑战，让微流控技术在生物医药行业大放异彩。