微流控床邊檢驗(yàn)系統(tǒng)的流體操控方法研究進(jìn)展

摘 要 綜述了近年來(lái)面向床邊檢驗(yàn)應(yīng)用的微流控分析儀器的研究進(jìn)展。針對(duì)儀器微型化過程中所面臨的流體操控自動(dòng)化的發(fā)展瓶頸，以流體操控方式對(duì)當(dāng)前床邊檢驗(yàn)分析系統(tǒng)進(jìn)行了分類。評(píng)述了適用于現(xiàn)場(chǎng)床邊檢驗(yàn)應(yīng)用的各類流體操控方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，并展望了微流控床邊檢驗(yàn)分析系統(tǒng)的發(fā)展方向和前景。

關(guān)鍵詞 微流控學(xué)； 床邊檢驗(yàn)； 分析儀器微型化； 微流體操控；評(píng)述

1 引 言

床邊檢驗(yàn)（Point of care testing， POCT）又稱床旁檢測(cè)，是指在病人身邊或附近進(jìn)行的測(cè)試。由于能顯著縮短樣品周轉(zhuǎn)時(shí)間，快速提供檢驗(yàn)結(jié)果，POCT已成為臨床檢驗(yàn)的一個(gè)重要發(fā)展方向。除了基本的儀器分析性能外，床邊檢驗(yàn)還對(duì)儀器的分析速度、便攜性和自動(dòng)化程度等方面提出了全方位的要求。微流控技術(shù)因其快速高效的分析、自動(dòng)化的流體操控和易于微型化等突出特點(diǎn)，成為了當(dāng)前推動(dòng)POCT儀器發(fā)展的主要技術(shù)。完整的POCT操作通常包括樣品的引入和前處理、試劑的儲(chǔ)存、試劑和樣品的準(zhǔn)確量取、樣品和多個(gè)試劑的順序混合反應(yīng)、分離分析等一系列繁瑣復(fù)雜的過程。雖然上述過程可在不同的微流控系統(tǒng)內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)，各種檢測(cè)器也已實(shí)現(xiàn)了微型化^[1，2]，但實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)部件和操作的綜合集成仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。微流控POCT儀器可按照分析方法、檢測(cè)器類型以及應(yīng)用體系等不同方法進(jìn)行分類。由于實(shí)現(xiàn)上述綜合集成的關(guān)鍵之一在于貫穿整個(gè)分析過程的流體操縱和控制，因此，流體操控方法也成為制約當(dāng)前微流控POCT系統(tǒng)實(shí)用化的瓶頸之一。本文將依據(jù)微流體驅(qū)動(dòng)操控方式的不同對(duì)當(dāng)前微流控POCT系統(tǒng)進(jìn)行分類，重點(diǎn)介紹高集成度、較具商品化雛形的微流控POCT系統(tǒng)。

微流控分析中常用的高精度注射泵和聚二甲基硅氧烷（PDMS）氣動(dòng)微閥微泵雖然具有精密的液體量取和復(fù)雜的流體操控能力，但其系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)集成和微型化，因而在POCT中的應(yīng)用受到限制。目前，常見POCT系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式主要包括壓力驅(qū)動(dòng)、離心力驅(qū)動(dòng)、電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)和毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)4種。

2 集成化微流控床邊檢驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 壓力驅(qū)動(dòng)的POCT系統(tǒng)

在集成化微流控POCT系統(tǒng)中，通常使用的壓力驅(qū)動(dòng)模塊有電解泵^[3～5]、壓縮氣體泵^[6]、化學(xué)分解泵^{[7， 8]}和直接氣壓差驅(qū)動(dòng)^{[9， 10]}等。但這些泵難以提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的液體驅(qū)動(dòng)速度，無(wú)法通過控制驅(qū)動(dòng)時(shí)間測(cè)量所驅(qū)動(dòng)的液體體積。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用試劑預(yù)封裝的方法預(yù)先將一定量的試劑溶液封裝在芯片儲(chǔ)液池內(nèi)。在樣品分析過程中，只需將所有預(yù)封裝的試劑驅(qū)動(dòng)進(jìn)入分析通道即可。其原理如圖1所示，各分析試劑準(zhǔn)確量取后儲(chǔ)存在儲(chǔ)液池中，每個(gè)儲(chǔ)液池通過微通道與后方的驅(qū)動(dòng)泵相連，各驅(qū)動(dòng)泵可分別控制，由此可實(shí)現(xiàn)分析中多溶液、多步驟的復(fù)雜操作。

Liu等^[3]報(bào)道了一種電解泵驅(qū)動(dòng)的集成芯片DNA自動(dòng)分析系統(tǒng)。分析所需的試樣、清洗液、雜交試劑和PCR試劑等都預(yù)先量取并封裝在芯片的各儲(chǔ)液池內(nèi)。各儲(chǔ)液池通過通道連接獨(dú)立的電解泵，通過電解水產(chǎn)生H2和O2， 驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)液池內(nèi)的溶液。芯片上還集成了控制各流路的石蠟熱熔閥、半導(dǎo)體加熱/制冷器、壓電混合器和微陣列電極檢測(cè)器。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了包括病原體捕獲、DNA提取、PCR擴(kuò)增、DNA雜交檢測(cè)等多步復(fù)雜操作的自動(dòng)化。此后，Liu等又采用類似結(jié)構(gòu)的芯片結(jié)合DNA微陣列檢測(cè)芯片實(shí)現(xiàn)了人白血病細(xì)胞（K562）基因^[4]和流感病毒^[5]的分型和部分測(cè)序。此類系統(tǒng)流體驅(qū)動(dòng)操作簡(jiǎn)單可靠，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，系統(tǒng)集成度高。不足之處在于試樣需要預(yù)封裝在芯片內(nèi)，未能實(shí)現(xiàn)試樣的現(xiàn)場(chǎng)引入，這不利于POCT系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。

Ahn等^[6]報(bào)道了一種壓縮氣體驅(qū)動(dòng)的，用于全血中CO2、乳酸、葡萄糖檢測(cè)的微流控芯片。芯片上集成了取樣探針、試樣量測(cè)單元、壓縮氣體微氣囊、加熱器、突破閥、液體分配器和生物傳感器等部件。工作時(shí)，由取樣探針吸取血液至充滿試樣量測(cè)單元，然后開啟氣囊下方的加熱器，加熱融化氣囊壁釋放出氣體，氣體膨脹驅(qū)動(dòng)血液通過液體分配器分別流過3個(gè)電化學(xué)檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)3個(gè)指標(biāo)的同時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微泵的集成，有開放的試樣引入口，但在流體的驅(qū)動(dòng)過程中，氣體釋放過快導(dǎo)致部分溶液殘留在通道內(nèi)壁，而難以實(shí)現(xiàn)預(yù)封裝液體的定量驅(qū)動(dòng)。Do等^[7]在此基礎(chǔ)上以偶氮二異丁腈化學(xué)推進(jìn)劑替代壓縮空氣為液體驅(qū)動(dòng)源。芯片結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控制儀器如圖2所示，工作時(shí)，金屬加熱器加熱偶氮二異丁腈，使其受熱分解產(chǎn)生氮?dú)猓獨(dú)馔苿?dòng)樣品池內(nèi)的血液通過電化學(xué)檢測(cè)器。通過控制加熱時(shí)間和加熱溫度（電流），能較好地控制流體的流動(dòng)速度。該系統(tǒng)成功用于血液中乳酸、血氧和葡萄糖3個(gè)指標(biāo)的同時(shí)分析，真正實(shí)現(xiàn)了分析過程的全集成和自動(dòng)化。 圖2 化學(xué)推進(jìn)劑驅(qū)動(dòng)的全血多指標(biāo)分析芯片和配套驅(qū)動(dòng)檢測(cè)儀器^[7]

Fig．2 Schematics of the pressuredriven microfluidic chip^[7]（Reproduced by permission of The Royal Society of Chemistry）

Linder等^[9]用負(fù)壓抽吸預(yù)封裝液段的方式實(shí)現(xiàn)了固相免疫分析的多步操作。分析前，在一段聚乙烯管內(nèi)以氣相間隔液段的形式，預(yù)先存儲(chǔ)免疫分析所需的各種試劑。分析時(shí)，通過注射器抽吸的方法驅(qū)動(dòng)各試劑順序通過固定了免疫試劑的微通道，實(shí)現(xiàn)多步固相免疫分析操作。該系統(tǒng)被成功用于艾滋病病毒的免疫測(cè)定。Liu等^[10]用簡(jiǎn)單的發(fā)條定時(shí)器帶動(dòng)滾珠擠壓芯片氣囊的方法實(shí)現(xiàn)了多溶液的順序定時(shí)驅(qū)動(dòng)。發(fā)條定時(shí)器的轉(zhuǎn)子底部安裝有突起的滾珠，各滾珠位置對(duì)應(yīng)芯片上各試劑的驅(qū)動(dòng)氣囊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)擠壓各氣囊，氣囊受壓后驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)液池的溶液流向反應(yīng)池。該系統(tǒng)成功用于唾液中HIV抗體的測(cè)定，其優(yōu)點(diǎn)在于以簡(jiǎn)單可靠的方式實(shí)現(xiàn)了不同的微量溶液的定時(shí)驅(qū)動(dòng)。

2.2 離心力驅(qū)動(dòng)的POCT系統(tǒng)

離心力驅(qū)動(dòng)^[11～14]是微流控系統(tǒng)中一種獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方式，其系統(tǒng)通常由圓盤形芯片、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和檢測(cè)裝置構(gòu)成。芯片工作原理如圖3所示，芯片上可以加工多個(gè)微流控分析單元進(jìn)行并行分析。各種試劑和試樣預(yù)先儲(chǔ)存于芯片的各儲(chǔ)液池中，各液池都開有進(jìn)氣口并與主通道相連。儲(chǔ)液池出口設(shè)計(jì)有被動(dòng)突破閥，突破閥的結(jié)構(gòu)通常為一局部憎水的微通道或具有特殊結(jié)構(gòu)的微通道（如通道截面由小變大或魚骨狀結(jié)構(gòu)的微通道）。突破閥的開啟決定于微通道的尺寸、通道表面的憎水性質(zhì)、流體的特性和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等因素。工作時(shí)，由于各液池距離芯片轉(zhuǎn)軸軸心的距離不同，所受的離心力也不同。同一轉(zhuǎn)速下，離轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)的儲(chǔ)液池內(nèi)溶液因受的離心力最大，率先突破閥的阻隔進(jìn)入主通道。隨著轉(zhuǎn)速的提高，離轉(zhuǎn)軸較近的溶液再依次進(jìn)入主通道。因此可通過設(shè)置液池與轉(zhuǎn)軸間距和調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，控制試樣試劑進(jìn)入相應(yīng)通道的順序和時(shí)間，完成復(fù)雜的反應(yīng)操作。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是只用一個(gè)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)多種流體的順序驅(qū)動(dòng)，且芯片上沒有活動(dòng)部件，可靠性較高，適合用于多步液體操作或并行分析的場(chǎng)合。但由于芯片工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，通常只能使用光學(xué)檢測(cè)方法，難以進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。

Fig．3 Schematic diagram of the CD chip

1. 試樣（Sample）； 2，3. 試劑（Reagent ）； 4. 反應(yīng)池（Reaction chamber）； 5. 主通道（Main channel）； 6. 突破閥（Passive valve）； 7. 進(jìn)氣口（Vent hole）。

Grumann等^[15]在離心力驅(qū)動(dòng)芯片上實(shí)現(xiàn)了血清中血紅蛋白的測(cè)定。芯片上集成了試劑、試樣儲(chǔ)液池和檢測(cè)流通池。工作時(shí)，利用離心力將試樣和試劑驅(qū)動(dòng)到流通池進(jìn)行混合反應(yīng)，完成顯色反應(yīng)后由離心芯片上方的吸收光度檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。Lai等^[16]在離心芯片平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了基于酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法（Enzymelinked immunosorbent assay， ELISA）的小鼠雜種細(xì)胞培養(yǎng)液中IgG的測(cè)定。通過程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，順序?qū)⒃嚇?、清洗液、熒光?biāo)記二抗、清洗液、底物、清洗液等溶液引入檢測(cè)池內(nèi)，完成免疫反應(yīng)，芯片上共分布了24個(gè)并行分析單元。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)ELISA整個(gè)操作過程的自動(dòng)化，但最后各檢測(cè)池的熒光強(qiáng)度信號(hào)由一臺(tái)熒光倒置顯微鏡讀出，尚難以滿足POCT應(yīng)用中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。

雖然離心芯片平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)如ELISA等復(fù)雜的流體操作，但在進(jìn)行全血樣品分析時(shí)仍存在較大的問題。由于全血分析第一個(gè)步驟通常都需進(jìn)行血漿和血細(xì)胞的分離，在離心芯片系統(tǒng)中，這種分離通常需要一個(gè)相對(duì)較高的離心轉(zhuǎn)速，而在系統(tǒng)達(dá)到這個(gè)轉(zhuǎn)速前，其它試劑通常已沖破突破閥的限制而開始相互混合。

2007年，Lee研究組^[17]通過在離心力驅(qū)動(dòng)芯片上引入光控蠟閥的方法實(shí)現(xiàn)全血分析。其原理是在芯片通道固定鐵氧化物納米顆粒和石蠟混合物構(gòu)成蠟閥。初始石蠟為固體，閥呈關(guān)閉狀態(tài)；需要開啟時(shí)，用激光照射石蠟，鐵氧化物納米顆粒吸收激光能量后升溫致石蠟融化，蠟閥開啟。蠟閥的使用避免了高離心轉(zhuǎn)速全血分離過程對(duì)其它流體操作的影響，顯著提高了離心芯片對(duì)流體操控的靈活性，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了全血中乙肝病毒和大腸桿菌的DNA提取及分析。2009年，該研究組^[18]在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于ELISA方法的全血乙肝指標(biāo)的分析芯片。芯片通道和儀器結(jié)構(gòu)如圖4所示。芯片上分布了3個(gè)并行的獨(dú)立分析單元，每個(gè)單元內(nèi)加工了多個(gè)儲(chǔ)液池和對(duì)應(yīng)的光控蠟閥，用于全血試樣、清洗液、固定了抗體的微珠懸液和底物等液體的儲(chǔ)存和控制。分析時(shí)，先實(shí)現(xiàn)血漿的分離，再將血漿和固定了抗體的微珠混合，然后通過清洗、酶催化顯色等過程，最后將產(chǎn)物溶液驅(qū)動(dòng)到檢測(cè)池進(jìn)行吸光度檢測(cè)。該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了全血中3個(gè)指標(biāo)乙肝抗原HBV、乙肝表面抗原HBsAg和乙肝表面抗體AntiHBs的同時(shí)自動(dòng)分析。

圖4 （A）全血中乙肝指標(biāo)分析離心芯片通道結(jié)構(gòu)和功能；（B）離心芯片血液分析儀外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Fig．4 （A） Disc design showing Microfluidic layout and functions of disc design， and （B） image and schematic diagram of the blood analyzer^[18]. （Reproduced by permission of The Royal Society of Chemistry）

2.3 電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)的POCT系統(tǒng)

電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)是微流控技術(shù)中最為靈活的液體操控方式之一，在POCT應(yīng)用中顯示出很大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ湓砣鐖D5所示，芯片為上下兩層結(jié)構(gòu)，流體以液滴形式夾在兩層結(jié)構(gòu)中間進(jìn)行操控。上層芯片加工有一公共的電極，下層芯片表面加工多個(gè)獨(dú)立的電極，電極表面覆蓋絕緣層和疏水層。下層芯片各電極可單獨(dú)控制，電極通電時(shí)其表面張力減小，斷電時(shí)表面張力升高。在相鄰兩電極間通斷電，可使其表面的液滴由斷電電極向通電電極移動(dòng)。通過在不同電極間交替通電，可驅(qū)動(dòng)液滴沿著電極排布的路徑移動(dòng)。由于可采用低頻交流電壓驅(qū)動(dòng)，被操控液滴中無(wú)電流通過，所以電濕潤(rùn)技術(shù)可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種水溶液，包括復(fù)雜生物試樣（如血液等）。除驅(qū)動(dòng)液滴外，電濕潤(rùn)技術(shù)還可用來(lái)進(jìn)行液滴的合并和拆分^[19]等操作，組合上述操作可實(shí)現(xiàn)溶液的量取^{[20， 21]}、試劑和試樣的混合^[22]等分析操作。

1. 基層（Substrate）；2. 上電極（Upper electrode）；3. 疏水層（Hydrophobic layer）；4. 介電層（Dielectric layer）；5.下電極陣列（Lower electrode array）；6.液滴（Droplet）。（A）電極a加電，液滴停在電極a表面（The droplet on the surface of electrod a with a voltage opplied on electrode a）；（B）電極b加電，液滴從電極a移動(dòng)到電極b（The droplet moves from electrode a to b by applying a voltage on electrode b）；（C）電極c加電，液滴從電極b移動(dòng)到電極c（The droplet moves from electrode b to c by appplying a voltage on electrode C）。

Srinivasan等^[23]用電濕潤(rùn)液滴操控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了血清中葡萄糖的測(cè)定。試樣和試劑儲(chǔ)存在芯片的液池中，工作時(shí)，分別從液池中取出一定量的試劑和試樣形成液滴，由電極驅(qū)動(dòng)液滴混合完成反應(yīng)。反應(yīng)后產(chǎn)物液滴被驅(qū)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)進(jìn)行吸光度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)血糖的酶顯色分析。

Abdelgawad等^[24]報(bào)道了一種電濕潤(rùn)芯片和毛細(xì)管電泳芯片結(jié)合的細(xì)胞分析芯片。細(xì)胞溶出液、酶解液、熒光標(biāo)記試劑等先以液滴形式滴加在電濕潤(rùn)芯片上。首先，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞溶出液與酶解液混合，再與熒光標(biāo)記試劑混合，依次實(shí)現(xiàn)細(xì)胞溶出物的酶解和酶解后氨基酸的熒光標(biāo)記過程，最后將該混合物驅(qū)動(dòng)到電泳芯片的進(jìn)樣通道，進(jìn)行毛細(xì)管電泳分離和激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)。

Sista等^[25]報(bào)道了基于電潤(rùn)濕芯片的多功能分析平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的DNA實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析和細(xì)胞磁珠免疫分析。分析芯片和配套的微型化儀器如圖6所示，分析前試樣與所需試劑被預(yù)先裝載在對(duì)應(yīng)的芯片儲(chǔ)液池中，可用于12個(gè)試樣的并行分析。進(jìn)行DNA分析時(shí)，定量移取DNA試樣和試劑液滴并混合，混合液滴在60 ℃和95 ℃的兩個(gè)芯片溫區(qū)間往復(fù)移動(dòng)并用熒光檢測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)量其熒光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了DNA的熒光定量PCR分析的自動(dòng)化。在磁珠免疫分析中，利用電濕潤(rùn)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)全血試樣液滴與磁珠一抗液滴、圖6 用于DNA實(shí)時(shí)熒光PCR分析和磁珠免疫分析的數(shù)字微流控芯片原理圖（A）、實(shí)物圖（B）及集成化分析儀（C）

Fig．6 Schematic diagram （A） and appearance （B） of the digital microfluidic chip for realtime PCR

analysis of DNA and magnetic bead immunoassay; （C） The integrated analyzer with digital microfluidic

chip \\ （Reproduced by permission of The Royal Society of Chemistry）二抗液滴依次混合反應(yīng)，然后將混合液滴通過磁場(chǎng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)磁珠捕獲，再將清洗液和化學(xué)發(fā)光底物液滴依次驅(qū)動(dòng)到磁珠位置，實(shí)現(xiàn)磁珠的清洗和化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，最后將溶液驅(qū)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)由光電倍增管進(jìn)行檢測(cè)。 圖7 微流控紙芯片原理圖

Fig．7 Schematic diagram of microfluidic paperbased chip

1. 疏水區(qū)域（Hydrophobic zone）； 2. 親水通道（Hydrophilic channel）； 3. 試樣滴加區(qū)（Sampling zone）； 4. 試劑和檢測(cè)區(qū)（Reagent and detection zone）。

在上述系統(tǒng)中，芯片表面存在的非選擇性吸附會(huì)產(chǎn)生液滴間的交叉污染。針對(duì)該問題，Yang等^[26]提出了一種可更換薄膜的解決方案。在電潤(rùn)濕芯片表面貼覆一層薄膜進(jìn)行液滴操作，薄膜同時(shí)作為電潤(rùn)濕系統(tǒng)的疏水層，每次分析后更換薄膜。試劑的預(yù)封裝通過在薄膜表面滴加試劑后風(fēng)干的方式實(shí)現(xiàn)。該法在解決交叉污染、試劑預(yù)封裝以及降低單次分析成本方面有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在薄膜的可靠性和一致性等方面尚有待進(jìn)一步完善。

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2.4 毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)的紙芯片POCT系統(tǒng)

毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)是微流控系統(tǒng)中一種常見的流體驅(qū)動(dòng)方式。在POCT領(lǐng)域，這種驅(qū)動(dòng)方式主要應(yīng)用于微流控紙芯片系統(tǒng)中。Whitesides研究組在紙芯片領(lǐng)域進(jìn)行了一系列開拓性工作，包括芯片的制作方法^[27～35]、流體操控原理^{[36， 37]}以及檢測(cè)方法^[38～40] 等方面的研究。紙芯片通常由紙芯片基片經(jīng)過疏水或親水處理加工而成，親水區(qū)域可以作為微流控分析通道，提供試樣和試劑的儲(chǔ)存區(qū)、反應(yīng)區(qū)和檢測(cè)區(qū)。紙芯片系統(tǒng)通常采用直接將分析試劑溶液滴加在特定區(qū)域后待水分蒸發(fā)的方法實(shí)現(xiàn)試劑的預(yù)封裝。與當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的POCT試紙條系統(tǒng)（如血糖檢測(cè)試紙條）相比，微流控紙芯片的最大優(yōu)勢(shì)是能實(shí)現(xiàn)多通道、多指標(biāo)的并行分析。此外，在紙芯片系統(tǒng)中還易于進(jìn)行具有三維結(jié)構(gòu)的通道的加工^{[41， 42]}。

在紙芯片的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方面，Whiteside研究組^[43]提出了一種紙芯片結(jié)合拍照手機(jī)的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于顯色反應(yīng)，在紙芯片上幾個(gè)區(qū)域預(yù)先固定葡萄糖和蛋白質(zhì)的顯色試劑，分析時(shí)將人工合成尿樣滴加在試樣區(qū)，尿樣依靠毛細(xì)作用力進(jìn)入到試劑區(qū)，分別反應(yīng)后顯色，通過手機(jī)攝像頭對(duì)顯色區(qū)拍照，并將照片用彩信遠(yuǎn)程傳送給專業(yè)分析人員，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得尿樣中葡萄糖和蛋白質(zhì)的含量信息，實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程診斷。此后該研究組^[44]還研制了一種采用電化學(xué)檢測(cè)的紙芯片，可以利用商品化的血糖計(jì)作為檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。芯片結(jié)構(gòu)如圖8所示，芯片上加工有碳電極，電極間的檢測(cè)區(qū)預(yù)先固定了硫氰化鐵和葡萄糖氧化酶，試樣通過試紙下端吸入檢測(cè)區(qū)， 圖8 微流控紙芯片及作為讀數(shù)計(jì)使用的商品化血糖儀^[44]

Fig．8 The microfluidic paperbased chip and corresponding reader （commercial glucometer）^[44] （Reproduced by permission of The Royal Society of Chemistry）試樣中葡萄糖與試劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，利用血糖儀測(cè)定反應(yīng)產(chǎn)生的電流可獲得試樣中葡萄糖的含量信息。通過在檢測(cè)區(qū)固定不同的酶催化劑，該系統(tǒng)最終成功實(shí)現(xiàn)血糖、乳酸、膽固醇和水溶液中酒精含量的快速分析。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，在微流控分析領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展出眾多適合于POCT系統(tǒng)的流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)和方法，部分儀器已經(jīng)出現(xiàn)了商品化的雛形。但從POCT系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，仍有一些問題需要解決和完善。如在壓力驅(qū)動(dòng)和離心力驅(qū)動(dòng)芯片系統(tǒng)中，試劑多以液體形式進(jìn)行封裝和儲(chǔ)存，如何在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存過程中保持溶液內(nèi)生物試劑（如酶或抗體）的活性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，采用干粉形式儲(chǔ)存生物試劑，分析時(shí)通過加入緩沖液現(xiàn)場(chǎng)配制試劑來(lái)保證試劑的生物活性，是一種有前途的解決方法。對(duì)于電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，仍然存在著不同溶液通過同一電極表面時(shí)產(chǎn)生的交叉污染問題，一種可能的解決方法是通過使用可更新的電極表面薄膜來(lái)避免交叉污染。對(duì)于紙芯片，目前研究主要集中于芯片的設(shè)計(jì)和制作工藝，其系統(tǒng)的檢測(cè)方法較為單一，多采用光度比色法。如能研制便攜式電化學(xué)或熒光檢測(cè)儀，則可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度，顯著拓展紙芯片系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。相信隨著相關(guān)研究的不斷深入，微流控分析技術(shù)將日趨成熟，有望在近期實(shí)現(xiàn)微流控POCT分析儀器在實(shí)用化和商品化方面的全面突破。

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Microfluid Manipulation Methods of Microfluidic

Instruments for Point of Care Testing

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PAN JianZhang， FANG Qun

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（ Institute of Microanalytical Systems， Chemistry Department， Zhejiang University， Hangzhou 310058）

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Abstract The developments of microfluidic analytical instruments for point of care testing （POCT） are reviewed. The characteristics of different microfluid manipulation techniques are introduced. The prospects of various microfluidic POCT instruments are also discussed.

Keywords Microfluidics; Point of care; Miniaturization of analytical instruments; Microfluid manipulation; Review

（Received 20 July 2011; accepted 17 October 2011）