基于微流控的现代生物医学检测技术概述

摘 要：首先介绍了微泵和微阀等常用的微流控器件，然后介绍了利用微流控技术进行片上预处理的方法，包括细 胞分离、细胞裂解和微流控富集技术。最后，对微流控在免疫检测中的应用进行了介绍。现代医学检测需要一种 全自动、集成化、低成本并且易于操作的微流控系统，从这些方面考虑，给出了微流控生物芯片的一些改进方向。 关键词：微流控；生物医学检测；免疫检测；预处理；富集；无标记检测 中图分类号：ＴＱ０１６；ＴＱ０２８；Ｏ６５７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１８）０６－１２２７－０５
微流控系统是利用制作在基底上的微沟道实现 特定功能 的 装 置，微 沟 道 的 尺 度 一 般 在 微 米 量 级。 生物医学检测中用到的微流控系统也叫做“生物芯 片”（ｂｉｏｃｈｉｐｓ），或者“微全分析系统”（ｕＴＡＳ，ｍｉｃｒｏ ｔｏｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍ）。传统的生物样品分析需要很 多大型仪器在专门的实验室中进行，这涉及到很多 操作步骤。利用微流控系统可以实现整个生物样品 分析的所有步骤，包括样品预处理，样品 ／试剂传输、 混合、反应、分离、检测和产物收集。这些小型的微 流控模块可以看作相应大型仪器的微缩版，把他们 组合起来就相当于组建了一个大型实验室，所以微 流 控 系 统 也 叫 做 “片 上 实 验 室 ”（Ｌａｂｏｎａｃｈｉｐ， ＬＯＣ）。利用微流控系统进行检测有很多好处，包括
问学者，北京市优秀博士毕业生，中英青年领袖对话中方代表，主要研究方向包括微流控芯片及其在医学领域 的应用。电话：０１０－６２７７２２６２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｎｕｏ＠ｇ．ｈａｒｖａｒｄ．ｅｄｕ；ｃｈｅｎｇｙｉｎｕｏ＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ
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应用化工
第 ４７卷
统对微泵的要求有很大差异，比如植入体内使用的 微泵要求有很好的兼容性，在太空中使用的微泵要 求重量轻、稳定性好，而对于需要昂贵试剂的生化检 测，要求微泵能够处理极少量的液体。常用的微泵 控制 方 式 有 压 力 控 制［３５］、电 渗 控 制、电 水 力 控 制、 气动 控 制［６］、热 控 制［７］、离 心 力 控 制、表 面 张 力 控 制等。
Ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆｔｈｅｍｏｄｅｒｎｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＣＨＥＮＧＹｉｎｕｏ１，ＣＨＥＮＺｉｈａｏ２，ＬＩＪｉｎｆａｎ２
（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＹｉｌｉｎｇＨｉｇｈＳｃｈｏｏｌ，Ｙｉｃｈａｎｇ４４３０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｃｅｎｔａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｍａｊｏｒｄｅｖｉｃｅｓｉｎｔｈｅｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｂａｓｅｄｂｉｏｃｈｉｐｓ，ａｎｉｎｄｅｐｔｈａｎａｌｙｓｉｓａｂｏｕｔｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｃｅｌｌｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｆｒｏｍｗｈｏｌｅｂｌｏｏｄ， ｃｅｌｌｌｙｓｉｓ，ａｎｄｐｒｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｎ ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｍｏｄｅｒｎｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｆｕｌｌｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ， ｃｏｍｐａｃｔ，ｌｏｗｃｏｓｔ，ａｎｄｈａｎｄｈｅｌｄｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｄｅｖｉｃｅ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｇａｒｄ，ｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈ ａｒｅｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ；ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｌａｂｅｌ ｆｒｅｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
微泵［２］用于为液体流动提供驱动力，不同的系
收稿日期：２０１７１０２５ 修改稿日期：２０１７１２２２ 基金项目：国家重大仪器专项（２０１３ＹＱ１９０４６７０１）；中国博士后科学基金第 ６２批清华大学成一诺 作者简介：成一诺（１９９０－），男，陕西西安人，清华大学博士后，清华大学、美国哈佛大学联合培养博士，美国耶鲁大学访
为了实现对流体的精确控制和实现特定的功 能，微阀是微流控系统中必不可少的器件。微阀主 要分为有源阀和无源阀，有源阀又可以分为机械式、 非机械式和外部系统驱动式，无源阀也可以分为机 械式和非机械式。抗背压较大的微阀有集成磁线圈 的常闭微阀［８］和可逆的相变微阀［９］。
目前微泵和微阀都已经有了很大的发展，结构 形式和原理多样，而且稳定性也都有了很大的提高。 实际应用中，要根据具体的系统要求，选择合适的微 泵和微阀。
较少的样品 ／试剂消耗，减少沾污，提高灵敏性，更少 的单位花费，更 低 的 功 率 消 耗，并 有 更 高 的 可 靠 性，另外其微小的体积有利于系统功能模块的集成， 实现检测系统的便携性，这促使微流控系统成为现 代生物医学检测的最佳选择［１］。
１ 微流控器件
无论是生物检测、药物测试，还是太空探索、环 境监测，需要毫升级及微升级液体的系统越来越多。 在这些系统中的液体往往需要被驱动、控制或者进 行各种各样的操作。这些操作需要各种各样的微器 件，比 如 微 泵、微 阀、微 过 滤 器、微 反 应 器 和 微 分 离 器等。
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第 ４７卷第 ６期 ２０１８年 ６月
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专论与综述
应 用 化 工 ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．４７Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１８
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基于微流控的现代生物医学检测技术概述
成一诺１，陈子浩２，李锦帆２
（１．清华大学 精密仪器与机械学系，北京 １０００８４；２．夷陵中学，湖北 宜昌 ４４３０００）