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微流控在IVD領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2022-08-26

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微流控芯片已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)涉及材料、化學(xué)、物理、微機(jī)電、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的綜合性交叉學(xué)科。

（一）微流控芯片簡(jiǎn)介

  1.1 微型化、集成化和智能化，是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。伴隨著微機(jī)電加工系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)已由當(dāng)年的“龐然大物”演變成由一個(gè)個(gè)微小的電路集成芯片組成的便攜系統(tǒng)，甚至是一部微型的智能手機(jī)。

  與之發(fā)展類(lèi)似，今天我們介紹的微流控芯片，又稱(chēng)芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip），是一種以在微納米尺度空間中對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)等縮微到一個(gè)幾平  方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成。

1.2 各種材質(zhì)和功能的微流控芯片及實(shí)驗(yàn)室相關(guān)配套儀器

微流控芯片早期也是從MEMS技術(shù)發(fā)展而來(lái)，通過(guò)微加工工藝在硅、金屬、高分子聚合物、玻璃、石英等材質(zhì)的基片上，加工出微米至亞毫米級(jí)的流體通道、反應(yīng)或檢測(cè)腔室、過(guò)濾器或傳感器等各種微結(jié)構(gòu)單元，而后在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控，配合流體控制或分析儀器自動(dòng)完成生物實(shí)驗(yàn)室中的提取、擴(kuò)增、萃取、標(biāo)記、分離、分析，或者細(xì)胞的培養(yǎng)、處理、分選、裂解、分離分析等過(guò)程。

1.3 微流控芯片的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域

上世紀(jì)90年代初，A.Manz等人采用芯片實(shí)現(xiàn)了此前一直在毛細(xì)管內(nèi)完成的電泳分離，顯示了它作為一種分析化學(xué)工具的潛力；90年代中期，美國(guó)國(guó)防部提出對(duì)士兵個(gè)體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究；在整個(gè)90年代，微流控芯片更多的被認(rèn)為是一種分析化學(xué)平臺(tái)，因此往往和“微全分析系統(tǒng)”（Micro Total Analysis System, u-TAS）概念混用。因此，原則上，微流控芯片作為一種“微全分析”技術(shù)平臺(tái)可以應(yīng)用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物醫(yī)學(xué)分析是熱點(diǎn)。

2000年G. Whitesides等關(guān)于PDMS軟刻蝕的方法在Electrophoresis上發(fā)表，2002年S. Quake等以微閥微泵控制為主要特征的“微流控芯片大規(guī)模集成”文章在Science上發(fā)表，這些里程碑式的工作使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界看到了微流控芯片超越“微全分析系統(tǒng)”的概念而發(fā)展成為一種重大的科學(xué)技術(shù)的潛在能力。例如，利用微流控芯片作為一種微反應(yīng)器，通過(guò)在微流控芯片上開(kāi)展組合化學(xué)反應(yīng)或結(jié)合液滴技術(shù)，有望用于藥物合成與篩選，或納米粒子、微球、晶體等的高通量、大規(guī)模制備，甚至形成一種“芯片上的化工廠或制藥廠”。

（二）微流控芯片的戰(zhàn)略意義

自微流控芯片誕生以來(lái)，一直受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。2001年，“Lab on a Chip”雜志創(chuàng)刊，它很快成為本領(lǐng)域的一種主流刊物，引領(lǐng)世界范圍微流控芯片研究的深入開(kāi)展。2004年美國(guó)Business 2.0雜志在一篇封面文章把芯片實(shí)驗(yàn)室列為“改變未來(lái)的七種技術(shù)之一”。2006年7月Nature雜志發(fā)表了一期題為“芯片實(shí)驗(yàn)室”專(zhuān)輯，從不同角度闡述了芯片實(shí)驗(yàn)室的研究歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，并在編輯部的社評(píng)中指出：芯片實(shí)驗(yàn)室可能成為“這一世紀(jì)的技術(shù)”。至此，芯片實(shí)驗(yàn)室所顯示的戰(zhàn)略性意義，已在更高層面和更大范圍內(nèi)被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界所認(rèn)同。

2.1 作為一種戰(zhàn)略性的科學(xué)技術(shù)，微流控芯片的發(fā)展有它的內(nèi)在必然性
首先，微型化是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的一種趨勢(shì)，面對(duì)我們所生存的已經(jīng)消耗過(guò)度的地球，微型化反映了人類(lèi)對(duì)資源枯竭的憂(yōu)慮和對(duì)資源利用的優(yōu)化。其次，世界上有太多的技術(shù)和流體操控有關(guān)，而當(dāng)被操控的流體在一個(gè)微米尺度的空間里流動(dòng)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)很多新的現(xiàn)象，其中的一部分至今還沒(méi)有被我們所充分認(rèn)識(shí)。第三則是基于對(duì)系統(tǒng)研究的需求。系統(tǒng)學(xué)研究整體，更研究構(gòu)成整體的各個(gè)局部之間的相互聯(lián)系，自古以來(lái)，人類(lèi)一直缺少微小但又能操控全局的工具，微流控芯片能承載多種單元技術(shù)并使之靈活組合和規(guī)模集成的特征使其可能成為系統(tǒng)研究的重要平臺(tái)。
2.2 微流控芯片的戰(zhàn)略意義還根植于它和信息科學(xué)、信息技術(shù)的特殊關(guān)系
一般認(rèn)為，在二十世紀(jì)，人們借助于電子在半導(dǎo)體或金屬中流動(dòng)得到的“信息”，成就了具有戰(zhàn)略意義的信息科學(xué)和信息技術(shù)；而在二十一世紀(jì)，通過(guò)帶有可溶性生物分子或懸浮細(xì)胞的水溶液在微流控芯片通道或平面上流動(dòng)以研究生命，理解生命，以至部分地改造生命，將有可能同樣成就一種新的具有戰(zhàn)略意義的科學(xué)技術(shù)：微流控學(xué)。因?yàn)?，“生命”和“信息”?gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的核心。
2.3 微流控芯片——當(dāng)今國(guó)家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一種先導(dǎo)型科學(xué)技術(shù)
微流控芯片是注定要被深度產(chǎn)業(yè)化的科學(xué)技術(shù)。這種判斷首先當(dāng)然是源于全球性產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需求的不可逆轉(zhuǎn)，需求加劇，進(jìn)程加快；另一方面，或許更為重要的，則是基于對(duì)這一科學(xué)技術(shù)在一些重大領(lǐng)域不可替代性的認(rèn)識(shí)，而這種認(rèn)識(shí)只是在最近的若干年內(nèi)才被人們所逐步接受。它很可能發(fā)展成為當(dāng)今產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一種模式，對(duì)以生物經(jīng)濟(jì)為代表的新型經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響。例如未來(lái)幾年內(nèi)，如果將微流控芯片與“生物手機(jī)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)一步結(jié)合，這樣一個(gè)由一種新興技術(shù)引發(fā)的可能具有全局性影響的趨勢(shì)，是否能夠因此誕生一批“風(fēng)口”行業(yè)值得大家期待。