IVD技术丨离心微流控的优与劣
2022-12-6 17:14|
编辑: 归去来兮|
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摘要: 离心微流控技术在体外诊断领域的应用也日臻成熟。
| 离心微流控（centrifugal microfluidics）隶属于微流控的一个分支，特指通过离心力来驱动液体流动的微量流体控制方式。它将生物和化学领域所涉及的基本操作集成在一个小型碟式的（disc-shaped）芯片上，所以也被称为 Lab-on-a-Disc (LOAD)。 
离心微流控技术在体外诊断领域的应用也日臻成熟。在生化领域，基于离心微流控技术的离心生化盘占据着POCT生化分析的主导地位。国内拥有离心生化盘产品的公司有天津微纳芯，成都斯玛特，绍兴普施康，苏州含光微纳，深圳锦瑞，广州万孚，武汉芯生，博奥生物等等。在免疫诊断领域，我们也看到越来越多的基于离心微流控的免疫多联检产品。国内典型代表是成都微康生物，石家庄禾柏生物，绍兴普施康（离心微流控化学发光）等。在核酸检测领域，基于离心微流控的核酸检测产品有Focus Diagnotics（与3M有合作），GenePOC（被迈迪安收购），博奥生物，上海速芯诊断，深圳理邦以及我们呈晖医疗等。
离心微流控主要依靠离心来驱动液体的流动。在仪器的设计上，只需一个离心电机就可以实现，这使得仪器简洁、紧凑。此外，这个简洁还体现在仪器和耗材的接口上。非离心式的微流控系统最麻烦的就是仪器和耗材的接口。这个接口一方面体现在驱动方式上，另一方面体现在阀的控制上。仪器上需要一些装置来提供液体流动的动力，也需要控制微流控芯片上的一些阀，而这些装置又要与一次性使用的耗材里的反应试剂做好隔离，以有效的防止不同测试间的交叉污染。离心微流控完美的避免这一点。离心力是依靠旋转而来，只要让离心微流控芯片（离心盘）旋转起来就可以实现，而且离心微流控中的阀多为非接触式控制。所以，离心盘与仪器的接口就像CD盘与唱片机的接口一样简洁。因此，我们常看到有的厂家推出的离心生化分析仪异常的小巧、便携。离心微流控中，碟式微流控芯片在高速旋转之下，液体更不容易在管道、腔室内残留。在另一些驱动方式中，比如注射活塞驱动，囊袋挤压驱动等，就很难保证管道里面没有液体残留了。而在微流控芯片中，液体驱动无残留是检测的一致性的重要保证。此外，对于体外诊断，要想实现定量检测，管道内液体驱动无残留也是必要条件。特别的，离心微流控芯片特别适配于过柱法核酸提取。高速旋转产生的离心力能有效去除硅胶膜上的裂解液和清洗液残留，从而有效减弱其对后续核酸扩增的干扰。在碟式微流控芯片上，无处不在的由圆心向外辐射的离心场很容易实现反应试剂的并行处理。最典型的就是离心生化盘里的多个并列的反应腔室。在离心场的作用下，液体可以依次填满排列在一个圆周或者螺旋管道上的多个反应腔室。这个并行处理带来的好处不单是能实现基于多个反应腔室的单样本多指标的检测，还有对于多个反应腔室的非接触式信号的读取。比如在传统生化分析仪里，要测量各个反应腔室的吸光度，需要把反应管做成转动式的或者把光学系统做成扫描式的。而在离心微流控生化分析系统中，由于自带离心属性，只需要离心生化盘匀速转动，固定在离心生化盘下方或者上方的光学系统就自然能读出所有反应腔室的信号。由于离心场的存在，在离心微流控芯片上实现基于密度差的分离就显得格外简单。在基于血液样本的体外诊断中，检测的第一步往往要将全血中的血浆分离出来。在离心微流控中，这个操作就显得非常简单。只要简单离心，由于血液细胞和血浆之间存在密度差，所以血液就会为血浆和血液细胞两层。再通过特殊的设计，就能在离心微流控芯片里把上层的血清自动分离出来，供离心盘下游时序的反应使用。此外，在离心微流控核酸检测中，由于PCR反应试剂一直处在离心场中，因此在变性阶段，95℃高温产生的气泡能及时地被排出（气泡和液体之间存在密度差），从而有效地避免气泡对于荧光信号读取的干扰。相较于其他微流控产品，离心微流控芯片一般由一个主体芯片和一个底板两个组件组成。甚至笔者见到国内改良版的离心生化盘只有一个主体芯片：主体芯片上包含了操控液体流动的所有的管道和腔室，主体芯片直接由较厚的单面胶封接就变成了一个最终产品。离心微流控芯片之所以只需要一个主体芯片，是因为离心微流控芯片中的阀多为非接触式阀，比如毛细阀，虹吸阀，相变阀，电磁阀、气压阀等等。这些阀的开和关均是依靠改变离心场、电磁场或者温度场等非接触式的操作方式来实现。而在一般的非离心微流控耗材上，往往会使用到软质囊袋/隔膜阀，这些软质材料组件与其他硬质组件往往没法做到一体注塑成型，因此只能被分别制作成独立组件，再依次封接上去。此外，由于离心微流控芯片需要充分利用离心场，所以都是典型的扁平设计（圆形或者扇形），这种结构更有利于脱模，也一样有利于主体芯片的一体注塑成型。离心微流控芯片主体一体注塑成型，只需封接底板就能形成产品终态，这在产品端的角度上来看，能保证整个微流控耗材大批量制造的良品率，与此同时，也极大的降低了微流控耗材的量产成本。毕竟其他的由几个，甚至十几个、二十几组件多次封接而成的微流控耗材，其组件的模具分摊费用高，多次封接也易导至生产的良品率低。与传统很多的产品所依赖的微流控技术不一样，离心微流控在学科体系上自成一派，而且有一定的深度。比如，我们谈GeneXpert，虽然人家官网上也大方宣传它是基于先进的微流控技术设计而成，但是笔者以为，人家很可能是先有设计和产品，后有微流控概念的。当时的场景可能是这样的：为了实现核酸检测的自动化，GeneXpert研发团队苦苦思索，最终选择了注射活塞驱动加旋转阀的方式来实现整个流程。在产品设计的全过程，研发团队可能压根就没听过“microfluidics”这个词。等到市场部拿到这个产品准备宣传的时候，一看这旋转阀里的细细管道，这不典型的在亚毫米尺度上对微量液体的操控么？于是才有了官网上“先进的微流控技术”的宣传。但是对于离心微流控，那就全然不同。在离心微流控中，有三个基本的力，分别是离心力，科里奥利力，欧拉力。充分利用这三种力能有效的实现液体的操控。离心力（centrifugal force）径向朝外；科里奥利力（Coriolis force），简称为科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，依赖于转速；欧拉力（Euler force）正比于转动的角加速度，只有当转动加速度不为零时才会存在。在离心微流控中，阀的设计也很讲究。比如离心生化盘的设计精髓—虹吸阀，没有离心微流控相关经验的人估计如何也想不到如此精妙的设计。所以，在离心微流控领域，除非完全照搬别人的设计，如若要想老老实实的从零到一设计一款全新的离心微流控产品，还是要有深厚的学科知识积累。只有知道了离心微流控里有哪些阀，有哪些力，有哪些方式实现反应试剂的混匀，有哪些方式实现液体试剂的预置和释放，有哪些方式实现试剂的顺序加载等等，才能在设计中信手拈来，组合使用这些液体操控单元，最终实现检测流程的自动化。此外，一些理论的计算也能为微流控芯片局部尺寸的优化指明方向。在离心微流控芯片上，无处不在的离心场即是好事情也是坏事情。好事情是我们实现多反应腔室的并行反应非常简单，坏事情是无处不在的离心场导至不同反应步骤之间的发生了强耦合。比如，一个检测有五个反应步骤，当我们在离心微流控芯片上实现这个五个步骤的全自动时，如果某个步骤实现的不够稳定，那我们很可能就会重新调整该步骤对应的转速和转向，甚至是转动加速度。这里问题就来了。当我们改变这一步骤对应的转速和转向时，往往会引发连锁反应：这个步骤转速和转向的改变可能会影响前面反应步骤之后的液体状态以及可能导至后续反应步骤的失败（比如转速太高，后续反应步骤的试剂提前释放）。这样子，可能整个设计方案都要推到重来。相比较而言，在非离心微流控芯片上，绝不大部分的设计里，不同的反应步骤相对操控比较独立。一个步骤设计的不理想，工程师只需聚焦于解决该步骤的问题即可。但是在离心微流控中，一个步骤设计的不理想，如果想要通过调整离心场来解决该步骤的问题，往往都要通盘考虑离心场的改变对于全流程其他步骤的影响。这种液体操控步骤之间的强耦合，导至离心微流控在设计和优化中自由度弱，想设计出理想产品的门槛被进一步提高。对于生化检测和免疫诊断，甚至基于恒温扩增的核酸检测而言，基于空气浴的温度控制在离心微流控系统中都能比较简单的做到稳定。但是对于使用QPCR技术实现核酸检测的离心微流控系统而言，温控做好的壁垒就非常高。首先是测温的问题，如何实时感知转动的PCR反应腔室的液体温度？其次是温控算法问题：依赖于空气浴的温度控制模型，往往比金属浴更为复杂。当然，我们知道罗氏的LightCycler 1.0和2.0 QPCR仪，凯杰的Rotor Gene Q QPCR仪都是经典的基于空气浴的QPCR仪。它们在某些温控性能参数上比基于金属浴的QPCR仪更胜一筹。再者，GenePOC和Focus Diagnostics也在离心微流控里实现了基于QPCR的全自动核酸检测。所以这条技术路线在技术实现上是没有问题的，只是技术门槛会高一些。
从这几个维度上讲，在离心生化盘中，温控系统简单，由于设计基本都是借鉴于Abaxis，所以设计门槛也不成问题。再叠加上离心微流控本身驱动方式简洁，易于集成全血中血浆的分离，能实现多个反应腔室的多指标检测，微流控耗材可制造性良好等优点，所以也最终形成了在生化POCT领域，离心生化盘占据着主导地位这一局面。
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