離心微流控的原理、儀器與醫(yī)學(xué)應(yīng)用

4/4離心微流控的原理、儀器與醫(yī)學(xué)應(yīng)用在過去二十年中，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(xì)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(xì)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(xì)胞的分析。這些分析通常涉及細(xì)胞分離或捕獲以及對分離細(xì)胞的分析。細(xì)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(xì)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)只是時間問題。全球不斷增長的微流