作者簡(jiǎn)介：單萬(wàn)水，教授，主任技師。廣東省臨床重點(diǎn)專(zhuān)科檢驗科主任，深圳市第三人民醫院院士工作站主任，深圳市醫學(xué)會(huì )檢驗專(zhuān)委會(huì )副主任委員，深圳市醫師協(xié)會(huì )檢驗分會(huì )副會(huì )長(cháng)。

內容提要：文章對目前現場(chǎng)快速檢驗（Point-of-Care Testing,POCT）市場(chǎng)上的各種主流技術(shù)進(jìn)行概述，集中討論POCT市場(chǎng)占比最大的技術(shù)平臺—免疫層析技術(shù)，根據其工作原理和制造過(guò)程，從基本的物理、化學(xué)原理出發(fā)討論影響檢測結果的主要因素，并從生產(chǎn)、應用層面探討實(shí)現可靠檢測的關(guān)鍵手段，進(jìn)而針對目前精準醫療、個(gè)性化醫療的市場(chǎng)需求探討POCT技術(shù)的發(fā)展方向和最新出現的技術(shù)平臺—基于生物芯片的微流控技術(shù)，最后就POCT市場(chǎng)上的現有及未來(lái)技術(shù)平臺進(jìn)行綜合分析。

現場(chǎng)快速檢驗（Point-of-Care Test, POCT），也稱(chēng)即時(shí)檢驗，國際上通稱(chēng)的POCT，是體外診斷行業(yè)增長(cháng)最快的領(lǐng)域。被廣泛使用的血糖儀即為最成功的POCT產(chǎn)品，占有整個(gè)POCT市場(chǎng)60%以上的份額^[1]。目前市場(chǎng)上最有代表性的兩種便攜式POCT技術(shù)是膠體金（或熒光）免疫層析技術(shù)和熒光免疫毛細技術(shù)。前一種以多家中國公司的產(chǎn)品為代表，后一種以美國Alere公司的Triage產(chǎn)品系列為代表。免疫層析技術(shù)起始于上世紀80年代初，而Triage產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)始于上世紀90年代，都已有了二三十年的歷史^[2]。近兩年來(lái)，中國、美國等世界上主要國家都在大力推行精準醫療、并已把精準醫療定位為長(cháng)期戰略發(fā)展方向。精準醫療首先需要精準診斷，這就對醫療檢測儀器的性能提出了全新的要求。在此大背景下，兩項關(guān)鍵技術(shù)在醫療檢測行業(yè)迅速發(fā)展，一個(gè)是生物芯片技術(shù)，另一個(gè)是微流控技術(shù)。理邦m16磁敏免疫分析系統（生產(chǎn)單位：深圳市理邦精密儀器股份有限公司，簡(jiǎn)稱(chēng)理邦）是其中一個(gè)具有代表性的產(chǎn)品。它把微陣列生物芯片集成進(jìn)了微流體器件里面。其生物芯片是一個(gè)多層納米膜結構的微陣列、是通過(guò)大規模集成電路工藝制造的。相對于傳統意義上以玻璃片為基底、以熒光材料為標記物的基因芯片，m16上的生物芯片是在單晶硅片上實(shí)現的、通過(guò)量子力學(xué)現象傳感的技術(shù)。其微流控技術(shù)依賴(lài)于機械機構對被測樣本和測試試劑實(shí)現精確控制。本文對層析熒光技術(shù)、毛細熒光技術(shù)和微流控生物芯片技術(shù)進(jìn)行詳細分析，對3個(gè)平臺的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行討論，并對它們的發(fā)展方向和應用進(jìn)行探索。

1.1技術(shù)原理

圖1所示的是膠體金免疫層析測試卡的結構，由樣品墊、膠體金結合墊、硝酸纖維素膜、吸水墊構成。其中，膠體金顆粒上修飾有檢測抗體，硝酸纖維素膜上有檢測線(xiàn)和控制線(xiàn)。檢測時(shí)，被測樣本在毛細作用下通過(guò)膠體金標記的抗體，形成抗原抗體膠體金復合物，復合物繼續爬行，通過(guò)包被有捕捉抗體的檢測線(xiàn)，形成雙抗體夾心膠體金復合物，在檢測線(xiàn)處呈現色帶。過(guò)量的膠體金抗體流過(guò)檢測線(xiàn)，在之后的控制線(xiàn)上形成膠體金免疫復合物，呈現色帶。需要注意的是，控制線(xiàn)上色帶的形成與被檢測物質(zhì)的存在與否無(wú)關(guān)，即使樣本里沒(méi)有被檢測的物質(zhì)，控制線(xiàn)也會(huì )顯現。這種“捕捉抗體-抗原-檢測抗體-膠體金納米顆粒標記物”復合結構被稱(chēng)為雙抗體夾心結構，膠體金為指示標記。最典型的產(chǎn)品是“早早孕”試紙條，采用雙抗體夾心一步法技術(shù)，以膠體金為指示標記檢測尿液中的人絨毛膜促性腺激素（Human Choionic Gonadotophin，HCG）濃度，以判斷受檢者是否受孕。

圖1 免疫層析技術(shù)原理

檢測線(xiàn)上的信號強度也即測試結果可以由公式（1）計算^[3]：

其中k是一個(gè)和抗體-抗原之間親和力有關(guān)的常數，t是樣本在反應區的駐留時(shí)間，Ab是檢測線(xiàn)上捕捉抗體的濃度，Ag是被測樣本中被測物質(zhì)的濃度。

常數k也和反應條件如pH值、溫度等有關(guān)系。從化學(xué)反應的角度來(lái)看，溫度從25℃降低到15℃，反應速度降低50%?？贵w抗原反應的最佳溫度是37℃，一般1~2h就可以達到峰值。如果在4℃反應，達到峰值時(shí)間會(huì )長(cháng)達12~24h。所以檢測過(guò)程應該盡量保持在同一個(gè)溫度下進(jìn)行，否則室內溫度的變化會(huì )帶來(lái)很大的影響。

當樣本體積一定時(shí)，樣本在反應區的駐留時(shí)間t和流速成反比。流速增加一倍，信號值就降低75%。樣本的流動(dòng)速度可以由公式（2）計算^[4]：

其中k是所用材料（這里主要指硝酸纖維素膜）的滲透率，是和毛細作用有關(guān)的拉普拉斯壓力，是樣本黏度，是材料的孔隙度，x是位置。樣本的黏度是影響檢測物流速的重要參數。黏度越大，流速越慢，被測物質(zhì)就有更多的時(shí)間和捕捉抗體進(jìn)行反應，結果就更明顯。換言之，即使不同的樣本中被測物質(zhì)濃度相同，但是結果會(huì )和樣本的黏稠度有關(guān)系，測試結果可能有很大不同。

公式（2）中另一個(gè)重要參數是x，也就是檢測線(xiàn)的位置。x值越小，檢測線(xiàn)離樣品墊越近，流速也就越大，這樣反應上的被測物質(zhì)就越少。由此可見(jiàn)，檢測線(xiàn)的位置是一個(gè)非常重要的設計參數，制造過(guò)程中需要嚴格的控制。值得注意的是，檢測線(xiàn)的位置是相對于樣品墊和膠體金結合墊來(lái)講的，所以除了需要精密控制檢測線(xiàn)在硝酸纖維素膜上的位置，對樣品墊和膠體金結合墊尺寸和位置的控制同樣重要。

如果樣本量發(fā)生變化，則公式（1）中的駐留時(shí)間t也會(huì )發(fā)生變化。尤其是當樣本量太少時(shí)，樣本很快的流出反應區，被測物質(zhì)沒(méi)有足夠的時(shí)間和捕捉抗體進(jìn)行反應、結合，導致測試結果低于正常期望值。當樣本量過(guò)多時(shí)，吸水墊可以起到一定的調節作用，飽和以后可以有效阻擋樣本的繼續流動(dòng)。但是，駐留在檢測線(xiàn)上沒(méi)有流走的被檢測物還會(huì )繼續和捕捉抗體反應，直到結合過(guò)程和分解過(guò)程達到一個(gè)平衡。但是，這個(gè)平衡是和其他條件如溫度有關(guān)系的。在這種情況下，嚴格的控制檢測時(shí)間和環(huán)境溫度就變得非常重要。

1.2材料和制造過(guò)程對檢測性能的影響

圖1所示的免疫層析器件看似非常簡(jiǎn)單,但實(shí)際上卻是一個(gè)非常復雜的結構，影響其檢測結果穩定性和重復性的因素眾多，這也是多年來(lái)此項技術(shù)只用在定性判定上的原因。技術(shù)儲備雄厚的公司已經(jīng)有了定量檢測產(chǎn)品，但是批間差、卡間差仍是一個(gè)大的挑戰。如果用S表示檢測結果信號強度，S可以用表達式（3）描述：

表達式（3）：S=f [Y（樣品墊），J（膠體金墊）, J_j（膠體金顆粒），X（硝酸纖維素膜）, Ab（抗體）, M（制造過(guò)程）]    

即最后的信號強度受樣品墊、膠體金墊、膠體金顆粒、硝酸纖維素膜、抗體、以及制造過(guò)程的影響。而以上列舉的每一項變量又受多個(gè)因素的影響。舉例來(lái)講，影響樣品墊特性的因素可以由表達式（4）描述：

表達式（4）：Y（樣品墊） =f_y （材料，蛋白質(zhì)，緩沖劑，洗滌液，表面活性劑，黏度調節劑，制造過(guò)程）

表達式（4）中的材料可以是纖維素膜，也可以是網(wǎng)狀織物，但它們有很大差別。舉例來(lái)講，網(wǎng)狀織物可以較薄、機械強度較好、耐拉、存留體積（可保留液體體積）小，但是確難以在上面加足夠量的化學(xué)試劑來(lái)調節樣本中的蛋白成分、pH值、離子強度、黏稠度等，也就是說(shuō)表達式（4）右側中的第2、3、4、5、6項的調節就比較困難。纖維素濾膜的特點(diǎn)和網(wǎng)狀織物幾乎完全相反：較厚、存留體積大、強度小、很難操作。因為存留體積大，所以有足夠的空間來(lái)在上面修飾各種化學(xué)試劑。組裝對纖維素濾膜是一個(gè)關(guān)鍵的因素，必須確保和膠體金顆粒墊有良好、一致的接觸，否則會(huì )嚴重影響被測樣本向前流動(dòng)，這就是表達式（4）右側第七項（制造過(guò)程）所涉及的內容。

表達式（4）中的第二項（蛋白質(zhì)）的主要作用是封閉樣品墊、防止樣本中的被測物質(zhì)因為非特異吸附力而被吸附在樣品墊上、不能被檢測線(xiàn)檢測。另外，如果樣品墊上封閉蛋白的量和配比合適的話(huà)，硝酸纖維素膜就可以不必再封閉，使成本和操作復雜性大大降低。同一個(gè)測試卡產(chǎn)品可能被用來(lái)測試多種不同的樣本，例如血清、血漿、全血、甚至尿液，緩沖液可以被用來(lái)調節樣本的pH值，在一定程度上使不同樣本中的同種被測物質(zhì)在檢測線(xiàn)上的反應性保持一致。舉例來(lái)講，尿液的pH值可以在5～10的大范圍內變化，同樣濃度的被測物質(zhì)在不同的pH值環(huán)境下的反應性會(huì )有很大不同，緩沖試劑可以比較有效的降低這種變化。

表達式（4）中右側第六項（黏度調節劑）的作用非常重要。由公式（2）可知，樣本的黏度對樣本流動(dòng)的速度有直接影響，而由表達式（1）又可以看出樣本流動(dòng)的速度對檢測結果的影響又進(jìn)一步放大。所以，控制樣本的黏度非常關(guān)鍵。黏度調節劑的作用是調節不同樣本的黏度，使它們在硝酸纖維素膜上流動(dòng)的速度盡可能相同。

硝酸纖維素膜是使用者可以觀(guān)察到的另一個(gè)部件，也是免疫層析器件上最重要的一個(gè)部分。影響它性能的因素可以由表達式（5）描述：

表達式（5）：X（硝酸纖維素膜）=f_x （最大孔隙尺寸，孔隙尺寸分布，孔隙占比，封閉劑，緩沖液，表面活性劑）         

硝酸纖維素膜最重要的性能參數是試劑在其中的流速，這主要由表達式（5）中右側的前3項決定。在最大孔隙尺寸以及孔隙尺寸分布相同的前提下，流速和孔隙占比大約成正比關(guān)系。這里面最大的挑戰是用宏觀(guān)的過(guò)程控制微觀(guān)的關(guān)鍵參數。硝酸纖維素膜一般是成卷生產(chǎn)的，卷的寬度是幾十厘米，每一卷材的長(cháng)度是100m。生產(chǎn)過(guò)程需要把這樣大面積的原材料切割成大約為4mm×40mm的測試條的尺寸，同時(shí)保證每個(gè)條之間的一致性。此外，測試條邊沿需要保持直線(xiàn)形狀、測試條表面不能被接觸或污染。這樣一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所造成的結果是，同一大張“紙”上切割出來(lái)的測試卡的一致性會(huì )比較好，但是，控制批間差就要困難很多。

1.3質(zhì)量控制

圖2所示是免疫層析產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。首先在大張層析膜上噴畫(huà)控制線(xiàn)和檢測線(xiàn)，然后把此大張層析膜粘貼在支撐底襯上。這個(gè)過(guò)程必須要確保底襯和膜的接觸緊密、均勻一直，否則將會(huì )導致不同測試條（卡）之間的液體流動(dòng)速度和方式有很大的不同。下一步是粘貼膠體金墊、樣品墊和吸水墊。吸水墊和膠體金墊各自和硝酸纖維膜有部分交疊，樣品墊覆蓋了膠體金墊的一部分。這里面最需要注意的是各層之間的交疊、接觸需要密切、均勻，不能在任何膜層表面引入物理變形、污染物、或者化學(xué)雜質(zhì)。很多和液體流動(dòng)均勻性有關(guān)的問(wèn)題都和以上這幾個(gè)過(guò)程有關(guān)。最后一步是在溫度和濕度都受控的房間里，把上面制作的大張材料切割成一條條的試紙條，組裝入塑料殼。

圖2 免疫層析產(chǎn)品的制造過(guò)程

從上面的制造過(guò)程可以看出，同一大張材料上切割出來(lái)的測試卡的一致性會(huì )比較好，因為是在同一個(gè)時(shí)間、同一個(gè)環(huán)境條件、用同一片材料、同一次制作過(guò)程完成的。比較難以控制的是不同批次間的差別。所以質(zhì)量控制也應該主要關(guān)注批間差。

建議質(zhì)量控制流程如下：

1. 保留最少18個(gè)質(zhì)量有保證的測試卡。

2. 準備最少兩個(gè)濃度的樣本，一個(gè)是在cut-off值附近，另一個(gè)是中值。

3. 如果有檢測全血、血清、血漿等不同樣本的需求，則需要按照2來(lái)準備不同的樣本。

4. 每個(gè)濃度點(diǎn)測試3個(gè)卡，計算平均值。

5. 如果平均值相差超過(guò)10%，則新批次測試卡不合格。

6. 如果使用溫度和室溫（25℃）相差較大，則需要和室溫結果比對。

以上第二項考慮的是，如果測試卡存在問(wèn)題，那問(wèn)題在cut-off值附近會(huì )被放大。第三項的考慮是不同的樣本黏稠度不同，對膠體金墊上顆粒的稀釋能力會(huì )不同，在硝酸纖維膜里的流動(dòng)速度會(huì )有差別。而從前面的討論我們知道，樣本在膜中的流動(dòng)速度是對測試結果影響最大的因素之一。第四點(diǎn)、第五點(diǎn)考慮的原因是，免疫檢測不可能100%完全重復，需要平均并給與一定的誤差量。

值得一提的是，膠體金免疫層析、熒光免疫層析、上轉發(fā)光免疫層析這三種產(chǎn)品都是建立在“層析”這個(gè)技術(shù)平臺上，所以以上的討論對三種技術(shù)均適用。但是，熒光的使用使檢測靈敏度得到了一定程度的提升。熒光免疫層析的一個(gè)很大的問(wèn)題是散射的入射光對檢測信號的干擾，而使用上轉發(fā)光可以有效地消除這個(gè)問(wèn)題。

從上面的討論我們可以知道，層析檢測技術(shù)是一項看起來(lái)很簡(jiǎn)單、但是實(shí)際上很復雜的技術(shù)。里面最少有4種薄膜、兩種抗體、抗體修飾的膠體金顆粒、緩沖液、封閉液等。制造過(guò)程最難把控的因素來(lái)源于：①把各種生化試劑載入相應的材料中并進(jìn)行干燥；②把各種材料完美、重復的組裝在一起。任何存在于各層材料之間的界面缺陷和界面不重復性都會(huì )直接導致檢測結果的重復性變差甚至失敗。解決這些問(wèn)題的一種辦法就是擯棄層析這個(gè)平臺。美國Alere公司旗下的Triage產(chǎn)品系列就是采取了這樣一種方略。

圖3 Biosite微流體測試卡結構

圖3所示是美國Alere公司旗下的Triage產(chǎn)品系列的測試卡結構，其中沒(méi)有任何的薄膜材料。它有上下兩層材料組成，兩層材料之間的距離是可以產(chǎn)生毛細現象的距離。上層為高度透明材料，目的是可以使在兩層材料之間產(chǎn)生的熒光信號不受干擾地傳播到透明材料另一側的熒光檢測器件上。底層表面的地貌隨需求變化而不同，而最突出的特征就是“搓衣板”地貌。這樣一個(gè)“搓衣板”地貌可以有效的增加表面積、增加抗體固定量及固定強度。在測試區域的表面上修飾的主要是捕捉抗體和封閉試劑，在樣本準備區域的不同部位上修飾有熒光標記物、檢測抗體、緩沖試劑、封閉試劑等。樣本進(jìn)入測試卡以后，其中液體溶解各種生化試劑，毛細作用推動(dòng)試劑向檢測區流動(dòng)。

把一根細細的玻璃管的一端垂直放進(jìn)一個(gè)水盤(pán)子里，水在玻璃管里面就會(huì )因毛細作用而上升，上升的高度可以由Jurin定律來(lái)計算^[4]：

其中是液體-空氣表面張力，是液體和玻璃管表面的接觸角度，是液體密度，g是萬(wàn)有引力常數，r是玻璃管的直徑。由上面的公式可以看出，毛細作用的大小和管子的直徑成反比關(guān)系，直徑越大，毛細現象越小。這一現象被Biosite用來(lái)調節試劑在測試卡里的流動(dòng)速度。圖三b的右側結構中有一凹槽，這一凹槽被用來(lái)較長(cháng)時(shí)間地滯留樣本，使樣本有足夠的時(shí)間和熒光標記物、檢測抗體、緩沖試劑等充分的混合反應。滯留時(shí)間可以由凹槽的深度來(lái)調節。

其他3個(gè)參數,,, 均和樣本有關(guān)，并且和溫度有關(guān)。在20 ℃的條件下，水的= 0.0728 N/m，= 1000 kg/m³，這些數據可以粗略用來(lái)近似偏水性的樣本，但是對于油脂含量比較高的黏稠樣本，,, 的數值會(huì )有所不同，導致試劑流動(dòng)速度不同，因而測試結果不同。 

上述問(wèn)題的主要原因是，毛細現象是一種自然界發(fā)生的被動(dòng)現象，會(huì )隨著(zhù)環(huán)境條件及液體特性而發(fā)生變化。要想解決這個(gè)問(wèn)題，就必須對微流體進(jìn)行控制。理邦的m16磁敏免疫檢測平臺采用的就是這個(gè)理念。圖3所示是理邦m16產(chǎn)品系列微流控測試卡流體線(xiàn)路圖。在這里稱(chēng)之為微流“控”而非微流“體”是因為它對微流體的流動(dòng)實(shí)現了控制的功能。在這個(gè)微流控結構里共有三個(gè)線(xiàn)性微流體泵，分別對三種試劑進(jìn)行控制。根據理邦提供的數據，驅動(dòng)裝置是由步進(jìn)電機構成，每1 mm的驅動(dòng)距離可以分為25000步，也就是說(shuō)，每一步的驅動(dòng)位移是40 nm。微流體泵體的直徑大約是3 mm。換算成體積，步進(jìn)電機每走一步所移動(dòng)的試劑體積是0.0028μL，實(shí)現了精確控制。因為是微流體泵控制的流動(dòng)，也因此避免了因樣本組分或黏稠度不同而導致流速不同、測試結果不同的問(wèn)題。另外，因為速度是可以調節的，所以可以針對不同的檢測項目（心肌標志物、炎癥、傳染?。┻M(jìn)行優(yōu)化，以達到最佳檢測結果。

 圖3 理邦m16微流控測試卡結構

在前面所描述的層析和毛細微流體平臺中，樣本中的液體作為溶劑把各種生化材料溶解在一起流到反應區域。在檢測區和背景區域結合上的非特異信號物是靠最后殘留的多余樣本進(jìn)行清洗，沒(méi)有專(zhuān)用清洗液體。在這兩個(gè)方面，m16平臺采取了完全不同的方案。為了避免各種試劑之間的相互干擾或交叉反應，m16微流控測試卡采用了3個(gè)微流體泵，對不同的試劑依次分別注入反應。在注入不同的試劑之前，微流體泵驅動(dòng)的清洗液對反應空間進(jìn)行徹底清洗，有效的消除非特異吸附。m16的另一個(gè)獨特之處是微流體泵不僅可以控制試劑和樣本的流動(dòng)速度，而且可以控制其流動(dòng)方向。反應試劑可以前后來(lái)回震蕩，增加反應結合律也即檢測靈敏度，清洗試劑可以通過(guò)來(lái)回震蕩來(lái)達到徹底清洗的目的。

生物芯片這個(gè)用語(yǔ)最早出現在基因檢測領(lǐng)域，由美國Affymetrix公司首先使用。圖4是該公司在2003年為羅氏生產(chǎn)的檢測CYP450基因的生物芯片，用于個(gè)性化用藥。它是以單晶硅為襯底，通過(guò)多層掩膜版的制造過(guò)程，在幾十萬(wàn)個(gè)20 μm²的檢測區上合成出不同的基因片段。因為使用了單晶硅硅片，采用了半導體行業(yè)常用的掩膜版光刻技術(shù)，最后產(chǎn)品外觀(guān)和半導體芯片非常類(lèi)似，故被稱(chēng)為生物“芯片”。類(lèi)似技術(shù)已經(jīng)在基因檢測領(lǐng)域大規模使用，但是在免疫檢測領(lǐng)域還沒(méi)有產(chǎn)品出現。

 圖4 美國Affymetrix公司的CYP450基因生物芯片

理邦的m16磁敏免疫分析儀采用了通過(guò)多層納米膜淀積、多層掩膜板光刻等大規模集成電路工藝制造的生物芯片技術(shù)。圖5是其示意圖，其中每一個(gè)彩色正方形下面是一個(gè)由多條亞微米寬的巨磁阻器件構成的檢測區，每個(gè)檢測區上修飾有不同的捕捉分子，用來(lái)檢測不同的標志物。此示意圖中共有12個(gè)檢測區，可以檢測12種不同的生物分子。和Affymetrix芯片最大的不同是，m16生物芯片不僅僅是捕獲被測物質(zhì)的載體，它還探測被測物質(zhì)生成的信號。信號通過(guò)導線(xiàn)傳輸到儀器上，然后轉換成用戶(hù)可以使用的信息。Affymetrix的芯片只是捕獲被測基因的載體，其上產(chǎn)生的熒光信號要通過(guò)一個(gè)熒光掃描設備來(lái)讀取。

 圖5 理邦的m16磁敏生物生物芯片示意圖

m16生物芯片的工作原理如圖6所示。首先通過(guò)大規模集成電路工藝在硅片上生產(chǎn)巨磁阻（GMR） 微陣列芯片。GMR芯片有極高的靈敏度、可以檢測到單個(gè)納米磁顆粒^[6]。硅片切割成單個(gè)芯片以后，首先在上面修飾上捕捉抗體。當樣本被加到芯片上以后，其中的被測分子和捕捉分子發(fā)生反應、結合。然后加入修飾有檢測抗體的納米磁顆粒，檢測抗體和被測分子結合，形成圖6所示的復合結構。納米磁顆粒作為標記物被GMR器件檢測。在樣本中被測分子含量很低、也即需要高靈敏度的情況下，一個(gè)磁顆粒下面只會(huì )有一個(gè)被測分子。因為GMR器件可以檢測到單個(gè)納米磁顆粒，所以這樣一個(gè)結構就具有了檢測單個(gè)生物分子的超高靈敏度。

 圖6 理邦m16磁敏生物芯片檢測原理

m16磁敏生物芯片是微陣列芯片，其上有多個(gè)檢測區域，可以同時(shí)檢測多種物質(zhì)。比如，肝功4項、心肌標志物五項、呼吸道感染9項、腫瘤12項等，可以用單個(gè)微量樣本在同一個(gè)微流體測試卡上得到結果。更重要的是，部分檢測區可以被用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、校準，提高檢測結果的可靠性和一致性。在公式2的討論中我們提到，抗體抗原的最佳反應溫度是37℃，偏離此溫度會(huì )使反應速度降低、檢測結果變弱。在理邦m36的芯片上，有兩個(gè)溫度偏差校準區和一個(gè)反應過(guò)程校準區，可以實(shí)時(shí)校準此項因素。這項技術(shù)的另一個(gè)直接結果是，測試卡從低溫儲藏室取出后可以馬上進(jìn)行測試、不需要恢復到室溫，這對急性心梗等需要快速結果的應用非常有利。試劑批次校準區可以校準運輸、儲存、試劑批間差等因素。另外根據需要，還可以在芯片上設計假陽(yáng)性、假陰性校準，使檢測結果的準確性和可靠性有巨大改進(jìn)。

 圖7 理邦m36磁敏生物芯片應用方案一例

隨著(zhù)醫療領(lǐng)域各項技術(shù)的發(fā)展，尤其是隨著(zhù)精準醫療、個(gè)性化醫療的迅速發(fā)展，檢測技術(shù)也在兩個(gè)方面面臨著(zhù)挑戰：第一是重復性，第二是靈敏度。對免疫層析技術(shù)來(lái)講，測試條之間的重復性問(wèn)題是最大的挑戰，而重復性差的原因很大一部分是因為需要把多種纖薄、脆弱的材料粘貼在一起、同時(shí)保證其中液體流動(dòng)的一致性。為解決這個(gè)問(wèn)題，一些公司在開(kāi)發(fā)新的材料和結構。Whatman公司的Fusion 5 單一薄膜代替了樣品墊、膠體金墊、硝酸纖維素膜和吸水墊^[7]。Fusion 5 是一種大孔隙材料，液體在其中的流動(dòng)速度很快，但是和蛋白質(zhì)沒(méi)有親和性。同時(shí)，常規層析免疫產(chǎn)品使用的多次浸潤、干燥過(guò)程也不再適用，所以，需要一個(gè)完全不同的制造過(guò)程。目前市場(chǎng)上使用Fusion 5的產(chǎn)品并不多見(jiàn)。

解決以上所述重復性差的另一個(gè)思路是徹底擯棄層析膜以及其他薄膜，采用微流體結構。但是，微流體器件的研發(fā)需要機械、流體力學(xué)、化學(xué)、生物、精加工等尖端技術(shù)領(lǐng)域的密切合作，研發(fā)時(shí)間長(cháng)，投入大。所以，除了美國Alere 公司的Biosite 產(chǎn)品系列，還沒(méi)有其他有影響力的產(chǎn)品出現在市場(chǎng)上。另外，從化學(xué)反應的角度出發(fā)，化學(xué)反應的結果受反應試劑量、反應溫度、反應時(shí)間等因素影響，免疫反應也不例外。所以，對微流體的精確控制是進(jìn)一步改進(jìn)重復性的關(guān)鍵。理邦m16產(chǎn)品實(shí)現了對流體的控制?！拔ⅰ绷黧w的“微”字意味著(zhù)產(chǎn)品的原材料以及生產(chǎn)過(guò)程需要嚴密控制。理邦通過(guò)精密注塑來(lái)生產(chǎn)合乎要求的零部件。組裝線(xiàn)采用自動(dòng)化機械手進(jìn)行組裝，可以實(shí)現不大于幾十微米的組裝公差。

美國海軍實(shí)驗室的Baselt博士于1997年提出利用磁阻 （magnetoresistance, MR） 器件和磁標記物進(jìn)行生物分子檢測的概念^[8]。因為發(fā)現了更加靈敏的巨磁阻（giant magnetoresistance，GMR） 現象, 法國科學(xué)家Albert Fert和德國科學(xué)家Peter Grünberg獲得了2007年的諾貝爾物理學(xué)獎。目前用于磁敏生物傳感器的主要為GMR器件。認識到GMR微陣列芯片在靈敏度上的巨大潛力，除了美國海軍實(shí)驗室外，美國NVE公司，美國斯坦福大學(xué)、德國比勒非爾德大學(xué)、葡萄牙里斯本大學(xué)等29個(gè)公司、大學(xué)、研究院都在進(jìn)行磁敏免疫檢測技術(shù)和產(chǎn)品的研究^[9-12]。在國內，進(jìn)行此研究的有中國科學(xué)院電工研究所、清華大學(xué)、上海交大、電子科技大學(xué)等，但是這些單位到目前為止還沒(méi)有能夠使GMR技術(shù)產(chǎn)品化，這里面最主要的挑戰是GMR器件和微流體器件的集成^[13]。理邦m16磁敏免疫分析儀是近20年來(lái)首個(gè)出現在體外診斷領(lǐng)域的全新技術(shù)平臺，在靈敏度、重復性、多項目檢測能力等方面有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

在將來(lái)的POCT市場(chǎng)上，免疫層析技術(shù)仍將會(huì )發(fā)揮很大的作用，然而不論是從基本的原理上亦或是從制造過(guò)程來(lái)看，免疫層析技術(shù)的內在缺陷也不可忽視，難以滿(mǎn)足精準醫療對檢測精度的需求。為了應對這些挑戰，一個(gè)研發(fā)方向是把幾種薄膜材料進(jìn)行無(wú)縫集成、免去多個(gè)不同而且難以控制的組裝過(guò)程；另一個(gè)方向是對制造過(guò)程更精密的控制，把批次生產(chǎn)模式改成高度自動(dòng)的流水線(xiàn)型生產(chǎn)模式。微流控技術(shù)可以精確控制生化反應過(guò)程（包括溫度、時(shí)間、速度、劑量），以達到精準檢測的目的。微陣列生物芯片技術(shù)可以使多項目聯(lián)檢成本顯著(zhù)降低，同時(shí)陣列內的各種實(shí)時(shí)校準單元可以使測試準確性和重復性大大提高。 

[1] Kalorama Information, The WorldWide Market for IVD Tests, 9^th Edition, 2014.

[2] C. M. Plotz, J. M. SINGER, The latex fixation test. I. Application to the serologic diagnosis of rheumatoid arthritis, The American Journal of Medicine, vol. 21, pp.888-892 (1956).

[3] Millipore C. Rapid Lateral Flow Test Strips-Considerations for Product Development. Millipore Technical Publications, 2008.

[4] C. L. A. Berli and P. A. Kler, A Quantitative Model for Lateral Flow Assays. Microfluidics and Nanofluidics, vol. 20, pp.1-9 (2016).

[5] G.K. Batchelor, 'An Introduction To Fluid Dynamics', Cambridge University Press (1967) ISBN 0-521-66396-2.

[6] G. Li, V. Joshi, R. L. White, and S. X. Wang, Detection of single micron-sized magnetic bead and magnetic nanoparticles using spin valve sensors for biological applications, Journal of Applied Physics, vol. 93, No. 10, pp.7557-7559 (2003).

[7] www.whatman.com(Fusion 5).

[8] 美國專(zhuān)利US 5981297.

[9] www.nve.com.

[10] www.magarray.com.

[11] S. J. Osterfeld et al, Multiplex protein assays based on real-time magnetic nanotag sensing, P--NAS, vol. 105, pp 20637-20640 (2008).

[12] F. A. Cardoso et al, Detection of 130 nm magnetic particles by a portable electronic platform using spin valve and magnetic tunnel junction sensors, Journal of Applied Physics, vol. 103, pp.07A310-1-07A310-3 (2008).

[13] L. Chen et al, A prototype of giant magnetoimpedance-based biosensing system for targeted detection of gastric cancer cells, Biosensor and Bioelectronics, vol. 26, pp.3246-3253 (2011).