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離心微流控的原理、儀器與醫(yī)學(xué)應(yīng)用

嘉峪檢測網(wǎng) 2022-08-27 06:08

在過去二十年中，微流控一直都是微流體研究領(lǐng)域的熱門話題，其中離心式微流控平臺是目前市場上非常常見，應(yīng)用非常廣泛的一種，經(jīng)常應(yīng)用于臨床化學(xué)、免疫診斷和蛋白質(zhì)分析、細胞處理、分子診斷以及食品、水和土壤分析等領(lǐng)域。

離心微流控（Lab-on-a-Disc，簡稱LOAD）是一種芯片上實驗室技術(shù)，也稱為盤上實驗室，在單個圓盤上處理不同的液體，如樣品提取、樣品預(yù)處理、試劑供應(yīng)、計量、等分、閥門、混合、培養(yǎng)、洗滌以及分析或制備分離等過程，以實現(xiàn)單元操作，實現(xiàn)高效的小型化、并行化和集成化分析。

其原理-在離心力和科里奧利效應(yīng)下使用非慣性閥和開關(guān)，以高度并行的順序在磁盤周圍分配流體。流體流動的主要驅(qū)動力是離心力，將流體從圓盤中心徑向向外移動，完成對流體的控制。

離心微流控技術(shù)在單個設(shè)備中結(jié)合了微流控和離心力的優(yōu)點。與其他微流控技術(shù)相比，離心微流控設(shè)備除了占地面積小，樣品操作簡單，可響應(yīng)微全分析系統(tǒng)之外，還具有無需多個泵、能夠處理大體積樣品、預(yù)存儲試劑、操作簡單而穩(wěn)定等優(yōu)勢。

比較微流控中不同流體的控制策略

流體控制策略	離心微流控	液滴微流控	數(shù)字微流控
原則	使用離心力處理樣品和試劑	處理互不相容的多相流體剪切形成單分散的液滴	通過靜電力來單獨控制小體積試劑和樣品
應(yīng)用	核酸分析；血液分析；免疫測定；即時診斷；DNA提取	材料合成；小分子篩選；即時診斷；醫(yī)學(xué)研究	數(shù)字PCR；樣品制備或提取；血液分析；DNA分析；細胞分析；免疫測定
優(yōu)勢	儀器數(shù)量最少；無需多個泵；并行化操作	減少試劑和樣品消耗；液滴可以重復(fù)測試	無需機械泵或閥門；并行執(zhí)行多項測試
挑戰(zhàn)	大規(guī)模集成困難；流體的流動是單向的	儀器制造成本過高；難以控制流動方向和量度	難以對分析物分離和濃縮；對溫度和壓力要求較高

離心微流體系統(tǒng)的儀器和操作

離心式微流控系統(tǒng)由圓盤和設(shè)備兩個主要部件組成，通常是配備簡單的單個轉(zhuǎn)動部件，利用與離心機相同的離心力原理，與微流體技術(shù)相結(jié)合，有助于減少樣品體積，縮短反應(yīng)時間，并消除對外部泵的依賴。離心泵用于從中心徑向向外移動流體，從一個腔室到另一個腔體的移動由微結(jié)構(gòu)控制。旋轉(zhuǎn)速度、連接的通道尺寸、流體室的位置和流體的粘度決定了通道中的流速。復(fù)雜的微流控裝置操作可以在單個盤上進行，該盤中嵌入了完整的微流態(tài)結(jié)構(gòu)。盤由熱塑性材料制成，如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或環(huán)烯烴共聚物。因此，與其他IVD技術(shù)相比，每次測試的成本可以顯著降低。此外，這些材料的透明光學(xué)特性允許過程的直接可視化，以及在盤上的直接光學(xué)檢測。

這些優(yōu)勢不僅促進了離心微流控的發(fā)展，也吸引了許多公司開發(fā)基于離心微流控的產(chǎn)品。

核酸分析

常規(guī)的臺式核酸分析耗時，并且需要熟練的操作人員和相對昂貴的設(shè)備。隨著離心微流控技術(shù)的發(fā)展，所有這些臺式工作流程都可以集成到一個圓盤狀芯片中，在很大程度上減少了反應(yīng)時間以及試劑和設(shè)備成本。這項技術(shù)還使基于核酸分析的POCT系統(tǒng)更容易集成，因為它需要最少的外部資源，并且不需要特殊的操作培訓(xùn)。

血液分析

血液中的葡萄糖、電解質(zhì)、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等參數(shù)可以提供有關(guān)人體狀況的很多信息。將這些參數(shù)的檢測集成到離心微流控盒中，可以實現(xiàn)定點護理并加快基于血液的診斷。此外，減少實驗室測試的周轉(zhuǎn)時間為更好地監(jiān)測患者的健康和減少不必要的治療和醫(yī)院成本提供了機會。

免疫測定

基于抗體對抗原的高度特異性，免疫測定已成為臨床診斷、生物和生化疾病研究、藥物開發(fā)和環(huán)境分析的重要工具。盡管免疫測定目前是非常成熟的技術(shù)，但測試過程需要大量的人工處理步驟，繁瑣而冗長的過程通常會導(dǎo)致結(jié)果的不一致。基于離心微流控系統(tǒng)的自動化有助于降低成本并確保結(jié)果一致，也可以輕松進行并行免疫分析，將免疫分析集成到離心微流控系統(tǒng)中是一個非常聰明的方法。

其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

離心微流控系統(tǒng)也可以適用于許多基于細胞的分析。這些分析通常涉及細胞分離或捕獲以及對分離細胞的分析。細胞分離使研究人員能夠在規(guī)定的環(huán)境中研究和分析單個細胞，并有望成為一種研究工具，尤其是在制藥領(lǐng)域。

盡管離心微流控在過去幾十年中發(fā)展迅速，但目前仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。

對POCT診斷而言，由于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)與盤形芯片相比較大而重，基于離心微流控的診斷設(shè)備在一定程度上放棄了其便攜性的需求。由于盤形芯片遠離旋轉(zhuǎn)中心的距離，以及流動方向和半徑限制，其大規(guī)模集成也比較困難。

隨著研究人員逐漸將重點從流體控制和控制技術(shù)的開發(fā)轉(zhuǎn)移到離心微流控系統(tǒng)的工程設(shè)計，未來有望開發(fā)出更好的替代解決方案。微流控技術(shù)成為醫(yī)療行業(yè)的標準只是時間問題。全球不斷增長的微流控設(shè)備市場將推動醫(yī)療公司研發(fā)并優(yōu)化系統(tǒng)以實現(xiàn)離心微流控產(chǎn)品的商業(yè)化。未來很長一段時間內(nèi)，醫(yī)療公司會在電化學(xué)傳感器的集成和能夠完全自動化的整個系統(tǒng)的開發(fā)方面進行研究，有望進一步降低未來系統(tǒng)的使用成本。

來源：ITL創(chuàng)新器械開發(fā)

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