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临床检验中微流控技术的应用进展分析

2021-03-19 157 上传者：管理员

摘要：微流控技术是近年来发展起来的一种全新微量分析技术，被评为本世纪最具有发展潜力的新兴技术之一。它可以将整个分析实验室的功能集成一张几十平方厘米(甚至更小)的芯片上。相较于过去的检验方法，基于微流控芯片的检测技术具有集成微型化、多线程自动化、低消耗、少污染等较多优势。文章介绍了微流控技术的基本概念、特点以及在临床生物化学检测、免疫学检测、病原微生物检测中的具体应用。

关键词：
医学检验
即时检验
微流控技术
微流控芯片
指标检验
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微流控技术的概念被提出已有30余年，以“微型全分析系统”（μ-TAS）和“芯片实验室”（LOC）为主要形式[1]。随着微流控技术的日臻成熟，逐步从前期技术攻关进入到产品商业化研发阶段，具有消耗试剂少、检测速度快、易于集成等优势，为其在临床检验领域提供了巨大的发展机遇[2]。

1、微流控技术的简介

1.1 概念及技术特点

微流控技术指的是在微米尺度下对微小量级的流体进行精准操控的一种技术[3]。芯片是实现流体操控的载体，研究开发微流控芯片是目前主要的研究内容[4]，其由微米级流体的管道、反应器等元件构成，采用微机电加工系统制作，最大限度地利用了微尺度下流体具备的特性：层流效应、毛细效应、快速热传导效应和扩散效应等特殊性能，实现多个实验流程在一块芯片上自动完成[5]，具有低消耗、高效率、自动化、集成化、便携化等优势[6,7]。

1.2 在临床检验领域的优势

随着微流控技术的发展及在医学检验领域的应用，即时检验（POCT）受到了广泛关注和长足的发展[8]。它指的是在实验室之外，任何时间、任何地点都可实现快速诊断的一个微型化检验系统，而微流控芯片是实现即时检验的有利技术平台[9]。

以微流控技术为基础的即时检验，是对传统检验的一个有利补充。这体现在以下三个方面：（1）扩大使用范围：传统检验检测的及时性较差，应用范围受到一定限制。而微流控芯片通过简化操作步骤、集成检测装置，可以由非专业人员完成操作，可以普及到门急诊、床旁检测、基层小型医疗机构，甚至可以由患者居家自测。受众更加广泛，临床适应性更强。（2）试剂耗材成本降低：微流控芯片是对微流体进行操作，因此所需的试剂和样品极少，有利于控制综合成本。（3）提高检测效率：微流控技术将多种操作单元灵活集成于一张芯片，在短时间内完成多个项目的检测，显著的提升检测效率[10]。

微流控芯片高效化、小型化的特点符合即时检验的需要[11]。目前微流控技术已经在临床检测的多个领域如生物化学检测、免疫检测、病原微生物检测等获得具体应用。

2、微流控技术在临床检验领域中的应用

2.1 在生物化学检测中的应用

临床生化检验主要是通过对血液、尿液等体液标本中各种化学成分含量的检测，得到血糖、肝功、肾功等生化指标的结果[12]。临床上主要依托全自动生化分析仪等大型检测设备，因其具有灵敏度高、准确度高等优势，所以受到广泛应用，但由于仪器设备费用高、样本和试剂消耗大，对检验环境要求苛刻等原因，限制其在医疗匮乏地区以及基层小型医疗机构的应用[13]，因此实现检测系统的集成化和微型化是未来技术研究的关键。

血葡萄糖浓度的检测：

患有糖尿病的人数呈逐年上升趋势，糖尿病的诊断以血糖作为标准，如果患者具有明显多饮、多尿、多食和消瘦的症状，只要一次异常血糖值即可确诊[14]。若高血糖不给予控制，将会造成各种器官的慢性损伤，甚至功能障碍。因此，早诊断、早治疗、持续监测血糖水平对于患者尤为重要。

便携式血糖仪是结合微流控技术的一种新型体外诊断仪器，能够在采样现场即时检测，一方面提高检测效率，能够随时随地获得检测数据，另一方面也方便了高血糖患者的自我检测。血糖仪对全血血糖检测的性能指标均达到行业标准，能够满足临床的需求。血糖仪以操作简单、节约时间、便于携带等优势弥补了全自动生化分析仪的不足，受到广泛应用[15]。

2.2 在免疫检测中的应用

目前国内基层医疗机构临床免疫学检验多使用半自动检测仪器，存在着手工操作复杂、低效等缺点；大型医疗机构所使用的全自动免疫分析仪器又多使用封闭系统，仪器设备和试剂耗材成本极高，这些都限制了临床免疫学检验的发展。而微流控技术在使用方法上打破传统实验室的束缚，兼具操作快速便利和定量准确等优势。因此，当微流控技术与免疫分析方法相结合时，能够产生许多较为便捷的免疫检验技术，对于疾病的检测有着重要意义。

2.2.1 癌胚抗原检测

癌胚抗原（CEA）是一种具有人类胚胎抗原性的蛋白[16]，在临床实验室，CEA被认定为是一项广谱的肿瘤标志物[17]，对肿瘤进行相关的疾病诊断及预后判断具有参考意义。梁臻龙等[18]建立一种结合微流控芯片和酶促化学发光免疫技术的CEA检测平台，基本原理是采用化学偶联反应将鼠抗人CEA包被于直径1mm的二氧化硅微球表面，用双抗体夹心法在毛细玻璃管中检测CEA。该方法对实验条件、反应时间等进行优化，特异性、精密度、功能灵敏度等都达到行业标准，分析结果与电化学发光酶免疫结果成正相关，适用于医疗资源匮乏地区。

2.2.2 炎症标志物的检测

C反应蛋白（CRP）和降钙素原（PCT）是目前临床上重要的诊断细菌感染的敏感标志物，动态监测PCT和CRP有利于对疾病的判断及预后[19]。肖锋等[20]构建一种基于微流控芯片平台的化学发光免疫分析系统，将实验中所涉及操作，比如抗原-抗体结合、磁珠包被、荧光标记及信号检测等过程集成化，能在15min内完成CRP与PCT两种感染性疾病标记物的同步检测。研究表明这种新的免疫分析方法，检测结果的准确度等指标接近于传统的免疫分析方法，因其具有操作自动化、分析通量高、检测时间短和线性范围宽的优势，非常适合门急诊及床旁快速诊断。

3、在病原微生物检测中的应用

面对未知感染源疫情时，往往需要多种病原体进行筛查[21]。传统病原微生物检测方法包括菌落培养、血清学鉴定等[22]，这些检测方法只能局限于实验室，而且面临检测周期过长、对窗口期不敏感、灵敏度较差等问题。微流控技术在解决这些问题上展示出新的优势。

3.1 人乳头状瘤病毒检测

宫颈癌是原发于子宫颈部的恶性肿瘤。研究表明，人乳头状瘤病毒（HPV）是导致宫颈癌的主要原因，因此对于HPV的检测和分型是预防和筛查宫颈癌的关键[23]。博晖创新定位于微流控技术平台，以核酸检测为目的，研发出一台HPV核酸微流控检测仪[24]。利用微流控技术，无需样本前处理，在一张芯片上集成核酸提取、多重PCR扩增、膜反向杂交显色等各个步骤，能够同时检测出24个HPV亚型。研究表明博晖创新微流控检测仪具有特异性高、线性良好、对实验室条件要求不高且易于操作等优势，因此是一种适宜推广的HPV检测平台。

3.2 微流控技术在临床检验领域的局限性

微流控芯片技术凭借着自身的优势具有广阔的发展前景，但是目前仍存在一些难题尚未解决：（1）质量控制及实验安全：一方面对于样本不能与第三方质控品和其他临床样本同时检测，检测报告也非专业操作人员审核和解读。另一方面使用过后的试剂盒无法集中回收，可能会带来生物安全的隐患。（2）临床应用范围较窄：现阶段的微流控技术在少数项目的检测性能较好，甚至超越传统检验技术，但也存在着一些弊端，没有形成全面超越的优势。（3）产业环境：微流控芯片的研发和应用单位脱节，高端加工技术的欠缺也加大了产品开发的难度，限制推广应用。

4、总结与展望

微流控芯片技术与传统检验技术各有优势，两者可以相互取长补短，形成共同发展的模式。随着我国精准医疗的启动，微流控技术将极大地推动现代检验医学的发展，未来将会与其他前沿科学技术相互交叉渗透，联合产生新的分析方法，从而为临床医学检验诊断提供更准确的信息。

参考文献：

[2]林炳承.微流控芯片的研究及产业化[J].分析化学,2016,44(04):491-499.

[3]林炳承,秦建华.微流控芯片实验室[M].北京:科学出版社,2008:4-5.

[4]舒博文,林冬果,雷秀霞,等.微流控体外诊断技术应对临床检验医学的挑战[J].中华检验医学杂志,2018,41(9):696-699.

[5]齐云,李晖,米佳,等.医用微流控芯片研究进展[J].微电子学,2019,49(03):366-372.

[7]孙薇,陆敏,李立,等.微流控芯片技术应用进展[J].中国国境卫生检疫杂志,2019,42(03):221-224.

[8]李晓琼,杨春华,潘邵武,等.面向POCT应用的微流控芯片技术综述[J].世界复合医学,2015,1(01):30-37.

[9]韩丹.POCT的临床发展现状及精细化管理探讨[J].中国卫生产业,2019,16(33):104-106.

[10]周睿,王清涛.POCT在临床应用中面临的机遇和挑战[J].中华检验医学杂志,2019(05):323-327.

[11]王倩倩,钱海洋,宋雪飞,等.基于免泵微流控芯片和电化学检测的便携式生物医学传感器[J].科学技术与工程,2018,18(29):91-97.