原创 基于微流控驱动和控制技术的临床生化分析系统

摘要：微流控技术具有微量、高效、高通量、微型化、集成化、自动化的特点，为实现现场化、低成本的临床生化分析提供了一条可行的技术途径。 针对于目前临床生化分析中复杂流体操控的难点，该文依据系统中采用驱动和控制方式的不同，对各种基于微流控技术的临床生化分析系统进行了分类介绍。

临床生化分析是基于分光光度法对血液、尿液等体液中血糖血脂、肝功、肾功、心肌酶谱等几十项生化指标进行检验的方法。 它是临床体外诊断最为常用的方法之一，占据了体外诊断将近 ３０％ 的市场。 目前临床生化分析的工作基本上在医院中心检验实验室利用自动生化分析仪开展。 这些仪器需要自动实现样品预处理、量取、混合反应、检测、清洗等一系列复杂的分析操作步骤。 常规的临床生化分析仪不仅结构复杂，体积庞大，造价高昂，而且需要专业的医学检验人员操作，所以一般应用于大中型医院，无法覆盖偏远地区或基层医疗机构。 基层医疗对临床生化分析仪体型精巧、低成本、易操作的要求得不到满足，是目前医学检验领域亟待解决的难题。

微 流 控 技 术  起 源 于 １９９０ 年Ｍａｎｚ 提出的“微全分析系统”概念，其特点是通过操控 ｐＬ 至 μＬ 体积的微量流体，实现化学或生物分析中的各项操作。 微流控技术的出现为临床生化分析的基层普及提供了一个具有良好前景的解决方案。 分析样本和试剂消耗微量化，可有效降低分析成本，且大幅提高反应的传质、传热能力，有助于实现高效反应，缩短分析时间；此外，微流控分析系统相较于传统临床分析仪器更易于实现系统的集成化和微型化，使其使用场合不再受限于大中型医院，具有巨大的市场发展前景。 目前，基层医疗机构能开展的生化分析工作仍然采用试纸条技术，它利用纸纤维的毛细作用驱动样品的流动，使样品与预先干化的试剂反应显色以获得检测结果，具有操作简便、成本低廉的优点。 由于试纸条技术受制于简单的流体操控能力和有限的定量检测能力，故其应用只限于血糖、胆固醇、蛋白质等指标的检测，无法满足临床生化分析的多指标和高精度需求。

单项指标的临床生化分析一般需要实现样品预处理、量取、混合反应、检测、清洗等一系列精准复杂的操作步骤，更具挑战的是多数疾病的临床诊断需要同时检测不同指标，因此，同时实现多步串行流体操控和多指标并行分析是临床生化分析自动化的难点所在。 微流控体系中所需操控的流体体积往往是nl级，甚至pl级水平，不同于一般宏观流体，这些微流体带有明显的尺度效应。 随着流体体积的减小，在宏观状态下占主导地位的重力和阻力可以忽略不计，但是微流体陡增的比表面积大大增强了表面张力等表面效应。 同时，微流体存在的层流效应也加大了流体的混合难度。 液体操控方式是决定一个微流控分析系统整体设计的关键，贯穿于从样品前处理到最终结果检测整个分析过程的始终。 因此本文根据不同微流体的驱动方式对当前微流控生化分析系统进行了分类介绍。

目前已报道的应用于微流控生化分析系统的常见驱动方式包括离心驱动、电驱动、压力驱动、毛细作用驱动，除此之外还包括磁驱动、热毛细迁移、声波驱动等多种形式的驱动方式。 基于前4种常见的驱动和控制方式，本文对各种基于微流控技术的临床生化分析系统进行分类介绍。

微流控生化分析系统的驱动方式

离心驱动技术

离心驱动技术是通过芯片做圆周运动产生离心作用以驱动流体的技术。 离心驱动微流控分析系统通常包含圆盘形离心芯片、电机和检测装置。 试剂和样品需预先存储于芯片上，通过在液体通道特定位置加工憎水区域或鱼骨状通道微结构的方法，实现被动突破阀的功能。 分析过程中随着芯片的加速旋转，距离芯片圆心最远的溶液首先通过突破阀进入分析腔室，因此通过控制电机转速可操控不同试剂依次进入分析腔室，实现混合、反应及检测。 离心驱动分析系统解决了微泵系统难以加工和集成的问题，系统结构简单，且可在芯片上设计多个并行分析单元来提高分析通量，由单个电机驱动集成了并行分析单元的离心芯片就可实现微流控分析系统的高通量 化。 目 前， 离 心 芯 片 已 广 泛 应 用 于 核 酸 分析、蛋白质分析、小分子分析、细胞分析等多种不同的分析应用中。

图 １ （ａ）离心芯片单一分析单元的通道结构、（ｂ）分析单元在离心芯片上的布局和（ｃ）离心芯片实物照片

Ｓｔｅｉｇｅｒｔ 等报道了一种用于全血中酒精浓度检测的离心芯片。 芯片结构如图 ２ 所示，芯片集成了一个用于全血量取和血浆分离的腔室，该腔室连接了血液入口、溢流口和血清出口。 血液样品从入口经离心进入分离室后多余血液经溢流口排出，可实现样品的定量量取。 提高离心转速，可使保留的血液在离心作用下实现血细胞和血浆的分离，分离得到的血浆经血清出口虹吸流出，最终经离心进入检测池与同时到达的试剂发生反应，反应产物在芯片平面内由吸收光度检测器检测。 该系统成功应用于全血中酒精浓度的检测，整个分析流程在150s内自动完成。

图 ２ 用于血浆提取和光学检测的离心芯片结构示意图

Ｎｗａｎｋｉｒｅ 等报道了一种基于 ＰＭＭＡ 材料的肝功能筛查离心芯片，可以同时检测白蛋白、碱性磷酸酶、γ⁃谷氨酰转移酶、总胆红素和直接胆红素等5种指标。 芯片结构如图 ３ 所示，首先将待测血液加入到中间储液池中，以2000r／min的转速旋转5min将血液分离，然后将转速降至1000r／min，将待测样品分配至各装有试剂的储液池中，再以2500r／min和1000r／min的转速反向交替旋转15min，将血清和各试剂混匀并反应。 最终反应产物由垂直方向的吸收光度检测器检测。 该离心平台目前已用于南非的疾病现场检测，为资源贫乏地区提供了即时有效的检测手段。

图 ３ 肝功能筛查离心芯片结构及其流体操作过程

Ｋｕｏ 等发展了一种用于血液肌酐检测的离心芯片。 该芯片通过控制旋转的速度，可精确分离出生化检测所需的血清。 芯片示意图如图 ４ 所示，工作时首先依靠离心力驱动全血通过长度为8ｍｍ的直通道，接着进入后部半径为10mm的圆弧形通道，血细胞靠向圆弧通道外侧，最终进入血细胞液池，而血浆则继续靠圆弧通道内侧进入下一液池，由此完成血浆与全血分离。 然后进一步通过离心作用将血浆分成两个等体积的部分，流入检测室进行肌酸酐的比色检测。 该芯片对于血细胞体积分数为６％ 的血液样品，可在6s内获得 96% 的分离效率。通过适当控制盘旋转速，可以精确地控制流入检测室中样品的体积，具有定量液体量取的能力。 该芯片制作成本低，工技艺术简单，且样品消耗低。

图 ４ 用于全血中肌酐分析的离心芯片

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