技术帖：深度分享国内首家微流控芯片核酸分析技术

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什么是微流控？

早在2006年，哈佛大学教授George M. Whitesides就在《自然》杂志发表了关于微流控的文章《Theorigins and the future of microfluidics（微流控的起源和未来）》，其中谈到：“作为一门技术，微流控似乎完美无缺。它具有诸多的优点而甚少瑕疵。但它却没有普及。为什么呢？为什么实验室里没有堆满“芯片上的实验室”？为什么病人们没有用微流控家庭检测系统来监测自己的病情？答案还不清楚。”

图1：Nature《The originsand the future of microfluidics》

什么是微流控呢？不知从几时起，逛一逛IVD相关各大展会，各种微流控让人目不暇接。微流控业内人士看了要会心一笑。但是什么是真正的微流控呢？微流控的“普及”，也让这一概念从神坛走下，似乎什么都可以微流控一下。

让我们看一看十几年前哈佛大学Whitesides教授在他文章里面的定义：It is the science and technology of systems that process ormanipulate small (10^-9 to 10^-18 litres) amounts offluids, using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres.

它是使用尺寸为数十至数百微米的通道处理或操纵少量（10^-9至 10^-18 升）流体的系统的科学和技术。

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微流没有控or微流又有控？

我们来简单看看市面上的各种已有的微流控产品。各类产品是对微流控概念不同程度的实践：分为只有微流没有控（被动式微流控）和又有微流又有控（主动式微流控）

第一种自驱式或被动式微流控，不借助外力，严格意义上叫微流体并非微流控。这种只有微流没有控，或者说在微流的基础上辅以极简单的流体控制，液体不需要复杂的流动过程，这种“微流控”也有自己合适的场景：对于很多过程较简单的检测项目的检测过程（反应过程），因其步骤本来就不多，不涉及到较复杂的微流体控制过程，可能从A点走到B点，加上微量，就能相对满足实验需求，比较好的满足性能要求。

另一种的主动式微流控则是业内更认可为真正的微流控，即既有微流又有控。主动式微流控，则是通过仪器内部精密控制芯片内反应腔结合阀门装置，控制液体反应的位置，实时监测液体在芯片内流动状况，定量控制反应样本体积，使样本定量参与反应过程，真正达到精确控制。主动式微流控往往是为了满足更加复杂的实验过程要求的，比如分子检测。传统的分子检测涉及多步骤的手工操作，包括核酸提取、纯化，扩增体系制备、扩增以及产物检测。在进行多种基因扩增产物分析（如HPV分型检测或者多病原体联合检测）时，则需要进行扩增产物与探针的杂交检测实现分型，过程相当繁琐，手工操作带来人为误差并难以进行标准化；此外需要专用场地设施，严格的三到四个功能分区，配套多种仪器的使用；以上这些都是分子检测难以普遍开展的原因所在。当然这样的应用场景，才是真正微流控可以大展拳脚的战场。

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分子检测领域的微流控产品

分子检测领域微流控产品有很多，从技术分析来看，符合微流控定义且通过微流控实现全程分子检测的产品并实现商业化的全球范围代表性厂家是梅里埃的Filmarray, 赛沛公司的GeneXpert产品以及国内的北京博晖创新的GenPlex微流控全自动核酸检测系统。三家公司微流控技术实现上各具特点，比如芯片设计，通道以及检测方法。本次我们深度分享一下国内上市推向临床的GenPlex微流控芯片检测系统。

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GenPlex微流控芯片检测技术解析

GenPlex从操作体验上来概括极其简单，就是样本进结果出：临床取到的宫颈脱落细胞保存液直接加入芯片，后面的核酸提取、纯化、PCR扩增、反向斑点杂交检测和判读都由仪器来进行。其实乍一看说明书，他们所采用的检测基本方法学没什么创新的，都是最基础也最经典的磁珠法提取，PCR扩增，反向斑点杂交检测。关键不同就在于，传统检测这些步骤在实验室开展，GenPlex系统则利用微流控芯片，把整个实验场地搬到了密闭的微流控芯片通道内完成。一次性使用的微流控芯片的每个通道都成为了一套微缩的PCR实验室，所有步骤都密闭在其中进行，样本和试剂有进无出，对外界环境污染和样本间交叉污染的可能性被扼制在了源头。

整个设计，从顶层设计开始可谓非常巧妙。所用的“微流”和“控”的关键在小小的微流控芯片。这里的微流控不同于其他简单的微流控，因为分子实验要求步骤复杂，需要液体复杂的流动过程。这个问题如何解决呢？北京博晖创新GenPlex通过专利的膜泵技术来实现。

我们来一起看一下这个神秘的微流控芯片！

下图是北京博晖创新生产的用于HPV分型检测的微流控芯片，每个芯片由4个微流控通道阵列组成，可同时对4个样本进行全自动化检测。该芯片由一个厚的含有不连续通道的聚苯乙烯层和一层极薄的柔性聚苯乙烯层通过压法压制而成。不连续通道间包含一组隔膜袋，并与安装在其上的聚苯乙烯层结合，构成图2所示的泵／阀装置。实验中，对隔膜袋中的孔施加正压，聚苯乙烯柔性层被向上推动，不连续通道断开，完成阀门关闭，流体流动阻断；对隔膜袋中的孔施加负压，聚苯乙烯柔性层被拉入隔膜袋中，不连续通道连通，完成阀门开启，流体在毛细作用下流动。依此规律，串联的多个隔膜袋中的孔内压力可依据设计的控制程序完成规律性变化，最终实现流体单／双向流动控制，这为液体混合提供附加的通用性和有效性。微流控芯片上表面是储液池，可放置提取、纯化、 扩增及检测过程需要的试剂和实验中产生的废液，因此检测完成后，可以直接丢弃芯片，整个检测系统相当干净，没有废液系统，不存在系统内环境污染，设备的日常维护也相当简单。

图2：微流控芯片图片+泵阀示意图

北京博晖创新微流控芯片驱动装置就是下图GenPlex芯片控制仪。GenPlex芯片控制仪是占地不到一平米的台式机，就能完成相当于自动提取仪、PCR扩增仪、杂交仪、芯片判读仪、电脑的全部功能。芯片控制仪除了可以替代传统分子检测实验室多种仪器的功能，更赋予了检测过程自动化、智能化，数据化。仪器可以完成实验试剂的自动添加，而和其他基于液相工作站的自动化核酸检测设备的关键不同之处就在于，芯片内液体通过控制仪的气泵驱动来流动到指定位置反应，整个过程在芯片内全封闭。

图3：芯片控制仪图片

理论上讲，这个巧妙的设计：膜泵驱动液体到指定位置完成反应，是可以广泛用于现在IVD实验室里面各种类型的实验的，但是纵观各类IVD实验，步骤复杂，真正需要微流控的，目前看来还主要是分子检测，更进一步说，是多重核酸检测，即：一份样本需要多个核酸检测结果这样的应用场景。

微流控是不是一个好技术，单纯从技术方面来讲，答案是毋庸置疑的。但是微流控何时能真正惠及大众，其中还有诸多壁垒。其中，从实验室走向一线应用场景的最大壁垒就是产业化和成本控制。

       博晖创新以膜泵驱动为顶层设计实现微流控，那么其微流控芯片制造的产业化就成了Genplex系统能否真正进入中国市场的关键。在国家的支持帮扶下，北京博晖创新全球第一条自主设计的微流控芯片制造自动化流水线的建立，是博晖创新微流控从企业研发实验室走向临床实验室的关键一步。芯片制造自动化流水线实现了芯片制造的标准化、智能化，让芯片的质量可靠、可控，同时也解决了一般实验室微流控芯片制造成本极其昂贵的难题。

图4：芯片生产线图片

[1] Whitesides G. M. The origins and the futureof microfluidics. NATURE, Vol 442, 27 July, 2006, doi:10.1038/nature05058.

[2] 周笑伶, 曹勤, 王生余. ＨPV检测方法及微流控芯片技术的应用[J]．国际检验医学杂志, 2019, 40(9): 1114-1118．

[3] Wang, R.; Wu, J.; He, X.; Zhou, P.; Shen,Z.J. A Sample-In-Answer-Out Microfluidic System for the Molecular Diagnosticsof 24 HPV Genotypes Using Palm-Sized Cartridge Micromachines. 2021, 12, 263. https://doi.org/10.3390/mi1203026