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核酸檢測4個階段

兼顧效率與準確的微流控芯片

Paradox：微流控芯片，是芯片嗎？

微流控芯片，不止應用于核酸檢測

核酸檢測

PCR階段是關鍵

核酸檢測本質上是利用我們高中生物書上學到的PCR反應（聚合酶鏈式反應）來實現的。PCR反應利用DNA的雙鏈復制原理，可以在體外大量擴增目的基因。核酸在擴增階段需要用到PCR儀，它可以對送檢液體自動進行“變性-退火-延伸”來擴增核酸量，看起來非常簡單，但其實從核酸采集到出結果非常耗費時間。

01

樣本采集

也是我們日常接觸到的“棉簽捅嗓子”階段。這個階段大家都很熟悉了，無論是咽拭子還是鼻拭子，大家或許都有所體驗，這里也不多介紹。

02

樣本保存與轉運

采集后的樣本，也就是那根棉簽，會被保存在裝有紅色液體的采集管中。紅色的液體就是病毒保存液，它含有滅菌與能滅活病毒的成分以及酸堿適中的PH值，既能讓病毒失活又可以保正病毒的核酸不被外界破壞。至于它為什么為紅色，其實是方便后續工作人員進行移液操作，也便于區分不同的檢測類型。轉運就是將一個個紅色試管運輸到檢測機構進行后續操作，如不能及時轉運則需要低溫保存。

03

核酸提取（核心階段）

由于RNA為單鏈，所以核酸檢測前，需要先將病毒的RNA逆轉錄為DNA雙鏈，再通過前文提到的PCR技術進行擴增，來達到檢測必須的核酸濃度。然后利用熒光基團標記的方法，來檢測樣本中是否含有待測核算序列，也就是檢測是否含有新冠病毒特有的基因片段。PCR儀能夠監測出熒光到達預先設定閾值的循環數（Ct值）與病毒核酸濃度有關，病毒核酸濃度越高，Ct值越小。

04

登記、出結果

檢測完成后，工作人員會注意將陽性或陰性的結果統一上傳，這時你才會在手機上看到核酸檢測結果，

我們聚焦核酸檢測這一流程。在經過信息核驗和登記過后，工作人員首先需要將檢測管中的可能含有病毒核酸片段的液體用移液槍轉移至另一個試管中，通過特殊試劑或離心柱法（簡單講就是把病毒里的核酸甩出來）進行核酸提取，然后再通過前文提到的PCR技術進行核酸增值。其中，移液的過程以及PCR增值的操作是最消耗時間的步驟，這也是核酸檢測除了外部因素外用時最長的流程了。

核酸檢測時效性十分重要，因此自動化、輕便化的檢測成為提升整體檢測速度的關鍵，我們今天的主角——微流控芯片應運而生。

兼顧效率與準確的微流控芯片

微流控（Microfluidics）是一種利用微米級流道處理加工微量（1納升至1阿升，1納升=0.000001毫升）液體的技術和科學。微流控芯片（Microfluidic Chip）中的流道，一方面可以作為生物化學相關實驗的反應容器，在閥和泵等元件的控制下，自動化、大規模地控制并實現復雜的生物化學流程。另一方面，在微尺度下，微流控芯片中的流體會呈現可預測性標準層流，從而使得系統的建模和反應動力學預測變得更加容易，讓微流控演變成一種理想的研究生化反應的媒介。由于它在生物、化學、醫學等領域的巨大潛力，已經發展成為一個生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。

應用于聚合酶鏈式反應(PCR)的微流控芯片

圖源 |IVD分享庫

說回微流控芯片與核酸檢測。微流控芯片與PCR技術搭配，能有效縮小了反應裝置的體積，單個PCR儀器內也可放置多個微流控芯片同時反應，降低反應整體時間，可以在更短的時間內完成核酸擴增；此外，更少的反應溶液也能有效提升檢測靈敏度；微流控由于體積減小，也具有了一定的便攜性，可以更快響應突發疫情。

微流控芯片可同時進行多個PCR反應

圖源 | IVD_study

那么有了微流控芯片加持的PCR技術，它的算力能提升多少呢？

微流控芯片其實并不是傳統意義上的芯片。它沒有工作電壓，不需要內存，甚至不需要通電，也自然沒有算力、線程等參數。那微流控芯片，為什么是芯片？

是芯片，非芯片

是芯片

涂膠、光刻、刻蝕樣樣都有

制作微流控芯片，首先要在基材上做出一個流體通道（基材可以是硅、玻璃、石英、環氧樹脂甚至特殊紙張等材料），然后再從流體通道上打孔方柏霓液體加入，最后將基板密封，形成密閉腔體。而在基材上制作流體通道的工藝，與傳統半導體芯片如出一轍。

光刻，是半導體芯片制造流程的關鍵步驟。它讓涂膠后的晶圓曝光，精準去除特定部分，在晶圓表面留下光掩膜上的微型圖形結構，然后通過后續的刻蝕、離子注入等工序，將光掩膜圖案“刻”在晶圓上，這一過程會重復上千次，最終在晶圓表面建立復雜的mos電路。微流控芯片也同樣使用這一原理，不過微流控芯片的圖案相比半導體芯片要簡單很多，大部分都能做到一次成型。

一種微流控芯片的光掩膜

圖源 | 合川醫療

既然用到光刻，那是否也會用到高精度光刻機來制作呢？

不需要，微流控芯片的制程目前還處于微米（μm）級別，不僅不需要高精度光刻機，部分微流控芯片用“純手工”就可以制作，屬于是真的“手搓芯片”。我們可以使用CAD直接設計微流控芯片的通道，然后讓圖紙轉化為設計用圖形文件，在用高分辨率打印機將圖形打印在透明塑料薄膜上，這樣光刻所用的光掩膜就制作好了。光掩膜也可以直接放在涂好光刻膠的硅片上（光膠樹脂）進行曝光，以此來減少光線穿過光掩膜后衍射效應的影響。

微流控芯片制造流程

圖源 | 泰初科技

非芯片

微流控芯片并不應用半導體的電氣效應

本質上，微流控芯片是承載“實驗液體”的微型實驗室或培養基。它可以把所涉及的化學和生物學領域中的樣品制備、反應檢測，細胞培養、分選、裂解等基本操作單元集成到這塊很小的芯片上，用于完成不同的生物學和化學反應過程。由于硅或玻璃具有良好的化學惰性與熱穩定性，也具有較為成熟的光刻與刻蝕工藝，因此更適宜作為生化反應的良好容器。

總的來說，微流控芯片用到了半導體材料作為主要結構，但沒使用到半導體芯片所依賴的電氣效應。所以，作為集成了多個作用的微小結構，是可以用“芯片”來形容它的，若從半導體角度看，微流控芯片又與傳統芯片的定義相差很遠。所以，微流控芯片，是芯片，也不是芯片。

微流控芯片

不止應用于核酸檢測

起初微流控芯片在歐洲被稱為“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），在美國被稱為“芯片實驗室”（lab-on-a-chip），隨著材料科學與MEMS技術的發展，微流控芯片逐漸有了突破性進展。

醫學專家對微流控芯片出現的意義做出總結：“首先，微型化是人類社會發展的一種趨勢，面對我們所生存的已經消耗過度的地球，微型化反映了人類對資源枯竭的憂慮和對資源利用的優化。其次，世界上有太多的技術和流體操控有關，而當被操控的流體在一個微米尺度的空間里流動的時候，會出現很多新的現象，其中的一部分至今還沒有被我們所充分認識。第三則是基于對系統研究的需求。系統學研究整體，更研究構成整體的各個局部之間的相互聯系，自古以來，人類一直缺少微小但又能操控全局的工具，微流控芯片能承載多種單元技術并使之靈活組合和規模集成的特征使其可能成為系統研究的重要平臺。”

由于微流控技術具有耗時短，重量輕的特點，因此它可以應用在臨床醫學、食品工業和環境監測領域內。微流控系統通過與MEMS系統的配合，可以快速跟蹤并檢測病原體，且不需要專業人員操作；近年來柔性可穿戴設備的發展，也給了微流控技術一定的發揮空間，微流控技術與柔性電子技術結合，可以快速分析汗液組成，以此來檢測人體多項生命特征；微流控技術還能植入體內，將多種納米顆粒組裝在微流體甬道中用于實體腫瘤體內核磁成像，可以實現有效的實體腫瘤在0.5 h內成像，有效減少患者做核磁共振的次數。

與柔性可穿戴設備結合的微流控技術

圖源 |IVD分享庫

寫在最后

微型化、集成化和智能化已經成為未來科技發展的趨勢。傳統半導體，從剛開始幾噸重的埃尼阿克，已經變成如今便攜的筆記本電腦或智能手表。生物醫學領域也有著同樣的發展過程，傳統的生物學實驗室，目前也逐漸集成到一顆芯片大小的區域上。

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