微流控技术

微流控技术研究进展目录LabOnaChip微流控的起源微流控的概念微流控的应用微流控的发展方向微流控技术的起源•微型化、集成化和智能化，是现代科技发展的一个重要趋势。伴随着微机电加工系统（MEMS）技术的发展，电子计算机已由当年的“庞然大物”演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统，甚至是一部微型的智能手机。•与之发展类似，今天我们介绍的微流控芯片，又称芯片实验室（Lab-on-a-Chip），是一种以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。微流控技术起源-微机电（MEMS）•MEMS技术全称MicroElectromechanicalSystem，MEMS设想是由诺贝尔物理学奖获得者RichardFeynman教授于1959年提出，其基本概念是用半导体技术，将现实生活中的机械系统微型化，形成微型电子机械系统，简称微机电系统。•1962年全球第一款微型压力传感器面世，这一创新产品后来被应用于汽车安全（轮胎压力检测）和医疗（有创血压计），开启了MEMS时代。今天MEMS技术在军事、航天航空，生物医药、工业交通及消费领域扮演核心技术的角色，智能手机中就嵌入了多个MEMS芯片，如麦克风，加速度计，GPS定位等。显微镜下MEMS芯片结构MEMS隐形眼镜，可进行拍摄和显像MEMS胶囊内镜MEMS的应用领域MEMS被广泛应用于军事与航空航天、工业与交通、通讯、生物医药、消费市场。目录LabOnaChip微流控的起源微流控的概念微流控的应用微流控的发展方向•微流控技术是MEMS技术在流体处理方面的一个重要分支，由于这一技术是生物芯片的基石，2003年被福布斯（Forbes）杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。•微流控芯片(MicrofluidicChip)，又称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或生物芯片。是利用MEMS技术将一个大型实验室系统缩微在一个玻璃或塑料基板上，从而复制复杂的生物学和化学反应全过程，快速自动地完成实验。其特征是在微米级尺度构造出容纳流体的通道、反应室和其它功能部件，操控微米体积的流体在微小空间中的运动过程，从而构建完整的化学或生物实验室。微流控技术的概念•这一技术将给基因、免疫、微生物和临床化学等诊断领域带来颠覆性突破，使威胁人类健康的诸多疾病如癌症、心脑血管疾病的早期诊断和预防成为可能。生物芯片与生物靶向药物的结合，将推动临床医学全面走向个性化医疗诊疗。微流控芯片的医学应用与发展POCT芯片：癌症，心脑血管疾病，传染病的早期诊断和预防微针采血：微量/无痛采血移动医疗：以微流控芯片为核心的家庭诊断中心植入芯片：血糖监测/给药一体化植入芯片，有效控制糖尿病智能药丸：主动靶向给药MicrofluidicChip:医学应用MicrofluidicChip:发展历程1959RichardFeynman教授提出MEMS设想1962硅微型压力传感器问世，MEMS技术进入医疗领域2002Quake在Science杂志，首次提出微流控芯片概念2004第一款商业化微流控芯片面世微流控芯片的战略意义•自微流控芯片诞生以来，一直受到学术界和产业界的极大关注。2001年，“LabonaChip”杂志创刊，它很快成为本领域的一种主流刊物，引领世界范围微流控芯片研究的深入开展。2004年美国Business2.0杂志在一篇封面文章把芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”。2006年7月Nature杂志发表了一期题为“芯片实验室”专辑，从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景，并在编辑部的社评中指出：芯片实验室可能成为“这一世纪的技术”。至此，芯片实验室所显示的战略性意义，已在更高层面和更大范围内被学术界和产业界所认同。目录LabOnaChip微流控的起源微流控的概念微流控的应用微流控的发展方向基于微流控芯片的代表性关键技术①微流控分析芯片是新一代床旁诊断（Pointofcaretesting,POCT）主流技术，可直接在被检对象身边提供快捷有效的生化指标，使现场检测、诊断、治疗成为一个连续的过程；②微流控反应芯片以液滴为代表，是迄今为止最重要的微反应器，在高通量药物筛选，单细胞测序等领域显示了巨大的威力；③微流控细胞/器官操控芯片是哺乳动物细胞及其微环境操控最重要技术平台，渴望部分代替小白鼠等动物模型，用于验证候选药物，开展药物毒理和药理作用研究。新一代床旁诊断（POCT）技术——Microfluidics-basedPOCT•POCT可直接在被检者身边提供快捷有效的生化指标，现场指导用药，使检测、诊断、治疗成为一个连续过程，对于疾病的早期发现和治疗具有突破性的意义。•POCT仪器发展趋势应是小型化、“傻瓜”式，操作简单，无需专业人员，直接输入体液样本，即可迅速得到诊断结果，并将信息上传至远程监控中心，由医生指导保健。目前，市场上有多种即时诊断方法，简单的流动测试工作没有流体管理技术，而当测试复杂性增加时，微流控技术是必要的。微流控芯片所具有的多种单元技术在微小可控平台上灵活组合和规模集成的特点已使其成为现代POCT技术的首选，经过近年的发展，已涌现了一批微流控芯片POCT分子诊断和免疫诊断的成功案例。荧光免疫微流控芯片技术电化学技术POCT-用于免疫检测主动式微流控芯片荧光标记抗体纳米荧光探针加样口支持全血/血浆/血清微流体调节器S-channel检测区3D捕获、双抗夹心反应形成，荧光信号检测质控区反应每次检测成功与否的内部质控废液仓供多余的反应液体储存样本前处理特定蛋白保护微流体调节器检测区3D抗体捕获14ReactionZoneD-DAgD-DAbTagCaptureZoneD-DPOCT-用于免疫检测主动式微流控芯片主动式微流控技术与其他POCT技术的区别对比项第二代微流控芯片第一代微流控芯片侧向层析卡流道载体微流表面处理技术流动均匀微流表面处理技术流动均匀NC膜多孔材料，流动不均匀反应过程控制可控不可控不可控核心微流控制器件使用独有专利技术的S-通道液体调节器控制液流，使检测结果更准确，受样本影响更小。通过疏水材料涂层来建立所谓的时间门槛，受病人样品影响大，废卡率高无生物放大技术订制的高亲和力生物探针，信噪比高，结合率高二次激发的纳米球探针，信噪比高，结合率中普通荧光探针，信噪比低，结合率低抗体捕获3D立体捕获技术，提高检测灵敏度注塑成型的立体区域，模具易磨损，成本高常规技术生产良率90%70%33%反应时间4~10分钟15分钟15~30分钟灵敏度0.001ng0.001ng0.1ng重复性（CV）10%15%20%操作便利性一步加样一步加样需要稀释，分步加样微流控芯片POCT的应用前景杨振华教授(卫生部临检中心主任)：在未来的5－10年内，POCT应该达到检查的70－80%以上，基本改变目前的检验医学格局丛玉隆教授(中华检验专委会主任委员)：目前，已经有10%以上的检验工作是由POCT完成，已成为检验医疗器械增长最快的部分将来的检验将更接近患者并分布在整个医院和社区的门诊部，多到80%的实验室工作将在距患者只有几步远的仪器上完成检验医学发展的两极：POCT：美国在目前多到80%的实验工作将在距患者只有几步远的仪器上完成中央实验室:,处理和分析床边仪器不能检测的标本MicropointConfidential微点公司内部文件，不得外传。PCR-微流控芯片CE•微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构，如毛细管电泳、聚合酶链反应、酶反应和DNA杂交反应的微型反应器等。其中电压驱动的毛细管电泳(CapillaryElectrophoresis，CE)比较容易在微流控芯片上实现，因而成为其中发展最快的技术。它是在芯片上蚀刻毛细管通道，在电渗流的作用下样品液在通道中泳动，完成对样品的检测分析，如果在芯片上构建毛细管阵列，可在数分钟内完成对数百种样品的平行分析。•国际上公认的PCR产物检测共有五种方法，按其灵敏度高低顺序排列为：毛细管电泳法、固相杂交法、液相杂交法、高压液相杂交法和凝胶电泳法(不推荐临床)。微流控芯片CE以毛细管电泳为该芯片主体，无需进行探针杂交，受检样品的信号获得率接近百分之百。微流控芯片CE可检测15~7500bp范围的PCR产物，分辨率可达20bp，样品微量化使扩散进一步减少，分离效果极好，每孔可供多个不同的PCR产物作同时分析。基于PCR的检测需要花很多时间在扩增上，而微流控芯片技术的特点——微量、高效、节省PCR-微流控芯片的应用•目前其应用主要集中在核酸分离和定量、DNA测序、基因突变和基因差异表达分析等。另外，蛋白质的筛分在微流控芯片中也已有报道针对病原微生物基因组的特征性片段、染色体DNA的序列多态型？基因变异的位点及特征等，设计和选择合适的核酸探针，经PCR扩增后检测，就能获得病原微生物种属、亚型、毒力、抗药、致病、同源性、多态型、变异和表达等信息，为疾病的诊断和治疗提供一个很好的切入点。•自1992年微流控芯片CE首次报道以来，进展很快。首台商品仪器是微流控芯片CE(生化分析仪，Aglient)，可提供用于核酸及蛋白质分析的微流控芯片产品。哺乳动物细胞及其微环境操控平台——微流控芯片仿生实验室•由于微流控芯片的构件尺寸和细胞吻合，并可同时测定物理量、化学量和生物量，它已成为对哺乳动物细胞及其微环境进行操控的最具潜力的平台。目前已可以构建微米量级且相对封闭的三维细胞培养、分选、裂解等操作单元，并把这些单元成功延伸到组织和器官。器官芯片是一种更接近仿生体系的模式，可在一块几平方厘米的芯片中培养各种活体细胞，形成组织器官，乃至由不同器官芯片进一步组成活体芯片，从而模拟一个活体的行为并研究活体中整体和局部的种种关系。在药学领域，器官芯片将被部分替代小白鼠等模型动物，用于验证候选药物，开展毒理和药理作用研究。目前市场上几种代表性微流控芯片POCT产品微点生物mLabs免疫诊断平台美艾利尔Triage免疫诊断平台雅培iSTAT诊断平台mLabs现有检测项目：BNP/NT-ProBNPTnI/心梗三联（TnI/CK-MB/Myo)PCTD-DimerTriage现有检测项目：BNP心梗三联（TnI/CK-MB/Myo)心肺功能五项（BNP/TnI/CK-MB/Myo/D-D)D-DimeriSTAT现有检测项目：BNPTnI血气目录LabOnaChip微流控的起源微流控的概念微流控的应用微流控的发展方向微流控芯片的市场前景•微流控芯片其中的一些应用已经或正在形成规模产业，例如基于微流控技术的新一代床旁诊断（Microflluidics-basedPOCT)系统，被产业界认为目前最有可能成为“KillerAppliction”（杀手级应用）的微流控芯片产品，其市场预计从2013年的16亿美元增长到2019年的56亿美元。（微流控即时诊断市场预测，法国市场研究机构YoleDevelopment提供的数据，转载自互联网）微流控芯片发展趋势•外观尺寸：桌面型或大型设备向便携式、手持式发展微点生物、美艾利尔、罗氏凝血检测仪•检测模式：实验室检测向现场及时检测、移动医疗方向发展•应用领域：医疗诊断向环境、食品安全领域扩展谢谢