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生物傳感器概述

微流控生物傳感器(microfluidic biosensor)是微流控技術(shù)重要的分支和延伸，包含了微流控技術(shù)和生物傳感器技術(shù)多種優(yōu)勢，在檢驗醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已展現(xiàn)出巨大的潛力。微流控生物傳感器具有其獨特的特點和多種技術(shù)原理，目前在檢驗醫(yī)學(xué)特別是分子診斷方面已取得了大量的應(yīng)用進展。

 微流控生物傳感器的特點

微流控生物傳感器是指在微流控芯片的技術(shù)上集合傳感元件，從而實現(xiàn)從流體輸注、控制到信號接收、轉(zhuǎn)換、呈現(xiàn)一體化的檢測裝置。

微流控生物傳感器包括兩大核心技術(shù)：一是微流控技術(shù)，又稱為芯片實驗室(lab-on-a-chip)，顧名思義是"實驗室操作集成在芯片上的技術(shù)"，一般是指在幾平方厘米內(nèi)構(gòu)建的化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)實驗室。微流控芯片的主要特征在于操控微小體積的流體(10－9～1018L)，通過微小密集的網(wǎng)絡(luò)布局(10－6～10－9m)的流道發(fā)揮特定的功能。微流控芯片相比于常規(guī)宏觀尺度的實驗技術(shù)具有若干基本特征：在微流體流動中慣性影響力可以忽略不計，黏性力為主要影響因素，雷諾系數(shù)很小，流體在管道內(nèi)以層流(laminar flow)形式流動。微管道比表面積大，體系內(nèi)傳熱迅速，因此在恒溫條件下反應(yīng)產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化效率相比宏觀體系得到提高。微管道尺度微小，試劑消耗量小于常規(guī)技術(shù)方法1～3個數(shù)量級，大大降低試劑成本，減少廢液的排放。

二是生物傳感技術(shù)，生物傳感技術(shù)是指通過聲、光、電、磁等元件將生物分子轉(zhuǎn)換為可輸出和測量的信號，從而實現(xiàn)生物信息的傳感。生物傳感器的優(yōu)勢首先在于靈敏度高，相比傳統(tǒng)的大型分析儀器，生物傳感器針對的局部微小區(qū)域，即使是微弱的生物信號，也能被采集到并進行信號放大。其次，生物傳感器往往采用的是無標(biāo)記技術(shù)，可以長時間實時檢測，并且敏感材料不會被消耗掉。
再次，生物傳感器體積微小，可實現(xiàn)多通道，陣列化，應(yīng)用范圍更為廣泛。微流控生物傳感器將上述微流控技術(shù)和生物傳感技術(shù)有機結(jié)合在一起，利用微流控技術(shù)在同一微小芯片上既實現(xiàn)了檢驗醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所涉集的樣品制備、分離、反應(yīng)、清洗，又通過生物傳感技術(shù)采集、處理和分析信號，并且可以實現(xiàn)陣列化的高通量檢測，實現(xiàn)整個檢驗過程"從樣品到結(jié)果"的功能。

微流控生物傳感器的技術(shù)原基于微流控芯片傳感器分類

1．流道式微流控生物傳感器

流道式微流控生物傳感器是目前運用最多的類型，具體又可劃分為連續(xù)流動式和液滴式，流道式微流體管道為封閉式管道，通過注射泵和氣閥來控制液體的流動和截止，從而實現(xiàn)液體的連續(xù)流動和精確控制。連續(xù)流動式微流控芯片目前可以精確處理納升級的液體量，從而實現(xiàn)單細(xì)胞甚至單分子水平的研究。
液滴式微流控芯片，通過液滴發(fā)生器可高通量地產(chǎn)生液滴，液滴的本質(zhì)為油相包裹了水相，通過改變水相的內(nèi)容物，可將每個液滴視作一個個獨立的微反應(yīng)器。這一個個小液滴體積非常小，通常為10－15～10－19L，樣品量極少，可用于進行高通量篩選和敏感的生物測定。

其次，由于油相的包裹樣品在油滴內(nèi)穩(wěn)定，蒸發(fā)和互相污染現(xiàn)象可以有效控制，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)字PCR領(lǐng)域。流道式微流控芯片由于其設(shè)計的靈活性和可拓展性，適用于多種生物傳感器信號轉(zhuǎn)換類型，包括基于光學(xué)的表面增強拉曼光譜法、基于聲學(xué)的石英晶體微天平法、聲表面波法和基于電化學(xué)的電化學(xué)阻抗法。

2．?dāng)?shù)字微流控生物傳感器

數(shù)字微流控是指在微流控芯片內(nèi)通過電、聲波、熱、化學(xué)等方法實現(xiàn)液滴的驅(qū)動，降低人為操作帶來的誤差，常見的方法有介電電泳、介電潤濕、熱毛細(xì)管效應(yīng)、聲表面波、靜電力方法等。其中介電潤濕法相較于其他方法具有驅(qū)動能量低、外設(shè)較簡單，在數(shù)字微流控芯片操縱液滴中使用最為廣泛，數(shù)字微流體在電介質(zhì)涂層電極陣列上操縱獨立的液滴，在電極陣列上施加一系列的電勢，通過數(shù)字編碼，對電極進行開關(guān)調(diào)整從而實現(xiàn)液滴的驅(qū)動、合并、混合和分離。

數(shù)字微流控可以在一個或者兩個控制面板上工作，并且已達(dá)到處理從皮升級到微升級大小液滴的能力，從而減少試劑消耗，反應(yīng)更加自動化。與流道式微流控不同之處在于，數(shù)字微流控對泵閥以及機械混合裝置沒有很高的要求，并且可以控制單個液滴的驅(qū)動。此外，數(shù)字微流控對液滴的控制可通過編程而改變，可根據(jù)不同實驗要求，定制相應(yīng)的程序，使其應(yīng)用前景和應(yīng)用范圍更為寬廣。

數(shù)字微流控技術(shù)另一大優(yōu)勢在于通過電極的驅(qū)動從而減少含有不溶物液體的堵塞現(xiàn)象。由于數(shù)字微流控技術(shù)集成有電子元件，因此可以和大多數(shù)生物傳感技術(shù)相結(jié)合，使數(shù)字微流控生物傳感器成為控制復(fù)雜生物檢測的強大的微流控工具。目前已報道的數(shù)字微流控生物傳感器有表面等離子共振成像、電化學(xué)檢測、電化學(xué)發(fā)光檢測等。數(shù)字微流控生物傳感器可用于如免疫分析、細(xì)胞培養(yǎng)、DNA雜交檢測、法醫(yī)學(xué)、分離科學(xué)等多個領(lǐng)域。

3．紙基微流控生物傳感器

相對于微流控芯片的封閉流道而言，紙基微流控芯片管道是開放式的。紙是由纖維素構(gòu)成的多孔基質(zhì)，有很好的液體吸收能力。當(dāng)進行疏水處理后，液體將通過毛細(xì)作用精確地只在親水管道流動。紙基微流控芯片在便攜式、低成本、即時檢測領(lǐng)域有著光明的前景。目前臨床檢驗應(yīng)用廣泛的免疫側(cè)向試紙同樣基于此原理，但試紙條無法精確定量，且無法多重檢測。而紙基微流控芯片則很好地解決了這個問題。紙基芯片的制備非常簡單，總體來說，紙基微流控芯片只要能形成疏水圖案都具有可行性。

目前制備紙基微流控的方法主要有兩類：平板印刷的方法具有較高的分辨率但價格較貴；直接打印疏水的障礙通道的方法相對儀器設(shè)備要求較低。Martinez團隊開發(fā)的3D微流控紙分析系統(tǒng)(3D μPAD)以特定圖案的層層堆疊的紙以及防水雙面膠制備而成，通過雙面膠連接堆疊的管道，使液體豎向流動到不同層的管道內(nèi)，可同時檢測4個人的血糖和蛋白成分，整個檢測過程只需2 min。紙基微流控芯片價格低廉，操作簡單，無需外力驅(qū)動，但同時紙基微流控芯片的局限性限制了其應(yīng)用，例如由于驅(qū)動力依賴層析作用實際達(dá)到測試區(qū)域的只有樣品體積的50%，紙基芯片開放的管道在加熱時易導(dǎo)致溶液蒸發(fā)，并且更易受環(huán)境因素的影響。紙基生物傳感器最經(jīng)典的例子當(dāng)屬血糖檢測儀。不需要多步樣品和試劑更換、洗滌的方法更適用于紙基傳感器諸如人絨毛膜促性腺激素早早孕檢測和心肌蛋白檢測等。

目前紙基微流控生物傳感器主要集中于光學(xué)和電化學(xué)傳感器。通過膠體金比色反應(yīng)或者化學(xué)發(fā)光，并用智能手機攝像頭進行信號采集和定量分析。