从层析荧光到微流控生物芯片——现场快速检验（POCT）

生物芯片这个用语最早出现在基因检测领域，由美国Affymetrix公司首先使用。图4是该公司在2003年为罗氏生产的检测CYP450基因的生物芯片，用于个性化用药。它是以单晶硅为衬底，通过多层掩膜版的制造过程，在几十万个20 μm2的检测区上合成出不同的基因片段。因为使用了单晶硅硅片，采用了半导体行业常用的掩膜版光刻技术，最后产品外观和半导体芯片非常类似，故被称为生物“芯片”。类似技术已经在基因检测领域大规模使用，但是在免疫检测领域还没有产品出现。

理邦的m16磁敏免疫分析仪采用了通过多层纳米膜淀积、多层掩膜板光刻等大规模集成电路工艺制造的生物芯片技术。图2是其示意图，其中每一个彩色正方形下面是一个由多条亚微米宽的巨磁阻器件构成的检测区，每个检测区上修饰有不同的捕捉分子，用来检测不同的标志物。此示意图中共有12个检测区，可以检测12种不同的生物分子。和Affymetrix芯片最大的不同是，m16生物芯片不仅仅是捕获被测物质的载体，它还探测被测物质生成的信号。信号通过导线传输到仪器上，然后转换成用户可以使用的信息。Affymetrix的芯片只是捕获被测基因的载体，其上产生的荧光信号要通过一个荧光扫描设备来读取。

m16生物芯片的工作原理如图3所示。首先通过大规模集成电路工艺在硅片上生产巨磁阻 （GMR） 微阵列芯片。GMR芯片有极高的灵敏度、可以检测到单个纳米磁颗粒。硅片切割成单个芯片以后，首先在上面修饰上捕捉抗体。当样本被加到芯片上以后，其中的被测分子和捕捉分子发生反应、结合。然后加入修饰有检测抗体的纳米磁颗粒，检测抗体和被测分子结合，形成图6所示的复合结构。纳米磁颗粒作为标记物被GMR器件检测。在样本中被测分子含量很低、也即需要高灵敏度的情况下，一个磁颗粒下面只会有一个被测分子。因为GMR器件可以检测到单个纳米磁颗粒，所以这样一个结构就具有了检测单个生物分子的超高灵敏度。

m16磁敏生物芯片是微阵列芯片，其上有多个检测区域，可以同时检测多种物质。比如，肝功4项、心肌标志物五项、呼吸道感染9项、肿瘤12项等，可以用单个微量样本在同一个微流体测试卡上得到结果。更重要的是，部分检测区可以被用来进行实时监测、校准，提高检测结果的可靠性和一致性。在公式2的讨论中我们提到，抗体抗原的最佳反应温度是37℃，偏离此温度会使反应速度降低、检测结果变弱。在理邦m36的芯片上，有两个温度偏差校准区和一个反应过程校准区，可以实时校准此项因素。这项技术的另一个直接结果是，测试卡从低温储藏室取出后可以马上进行测试、不需要恢复到室温，这对急性心梗等需要快速结果的应用非常有利。试剂批次校准区可以校准运输、储存、试剂批间差等因素。另外根据需要，还可以在芯片上设计假阳性、假阴性校准，使检测结果的准确性和可靠性有巨大改进。

免疫层析技术面临问题及解决方向

随着医疗领域各项技术的发展，尤其是随着精准医疗、个性化医疗的迅速发展，检测技术也在两个方面面临着挑战：第一是重复性，第二是灵敏度。对免疫层析技术来讲，测试条之间的重复性问题是最大的挑战，而重复性差的原因很大一部分是因为需要把多种纤薄、脆弱的材料粘贴在一起、同时保证其中液体流动的一致性。为解决这个问题，一些公司在开发新的材料和结构。Whatman公司的Fusion 5 单一薄膜代替了样品垫、胶体金垫、硝酸纤维素膜和吸水垫。Fusion 5 是一种大孔隙材料，液体在其中的流动速度很快，但是和蛋白质没有亲和性。同时，常规层析免疫产品使用的多次浸润、干燥过程也不再适用，所以，需要一个完全不同的制造过程。目前市场上使用Fusion 5的产品并不多见。

解决以上所述重复性差的另一个思路是彻底摈弃层析膜以及其他薄膜，采用微流体结构。但是，微流体器件的研发需要机械、流体力学、化学、生物、精加工等尖端技术领域的密切合作，研发时间长，投入大。所以，除了美国Alere 公司的Biosite 产品系列，还没有其他有影响力的产品出现在市场上。另外，从化学反应的角度出发，化学反应的结果受反应试剂量、反应温度、反应时间等因素影响，免疫反应也不例外。所以，对微流体的精确控制是进一步改进重复性的关键。理邦m16产品实现了对流体的控制。“微”流体的“微”字意味着产品的原材料以及生产过程需要严密控制。理邦通过精密注塑来生产合乎要求的零部件。组装线采用自动化机械手进行组装，可以实现不大于几十微米的组装公差。

美国海军实验室的Baselt博士于1997年提出利用磁阻 （magnetoresistance, MR） 器件和磁标记物进行生物分子检测的概念。因为发现了更加灵敏的巨磁阻 （giant magnetoresistance，GMR） 现象, 法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg获得了2007年的诺贝尔物理学奖。

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