做了三年核酸，你知道核酸檢測(cè)用的“芯片”嗎？

每天起床第一句，先去樓下做核酸。

核酸檢測(cè)，可能是近兩年來(lái)我們參與頻率最高的集體活動(dòng)。疫情期間，我們除了每天要在通勤路上消耗掉寶貴的時(shí)光，偶爾還要在核酸檢測(cè)點(diǎn)前排出一條長(zhǎng)龍。即使做完了核酸，等待結(jié)果的過(guò)程也讓我們憑空多了份焦慮。慢，成為了核酸檢測(cè)摘不掉的標(biāo)簽；等，也成為了我們的生活常態(tài)。

核酸檢測(cè) ?圖源：頭條蘇州

不過(guò)進(jìn)入12月以來(lái)，全國(guó)疫情防控力度逐漸降低，核酸檢測(cè)這項(xiàng)活動(dòng)在我們生活動(dòng)占的比例也逐漸減小，但是“陪伴”了你三年的核酸檢測(cè)，你真的了解它嗎？

核酸檢測(cè)，PCR階段是關(guān)鍵

核酸檢測(cè)本質(zhì)上是利用我們高中生物書上學(xué)到的PCR反應(yīng)（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PCR反應(yīng)利用DNA的雙鏈復(fù)制原理，可以在體外大量擴(kuò)增目的基因。核酸在擴(kuò)增階段需要用到PCR儀，它可以對(duì)送檢液體自動(dòng)進(jìn)行“變性-退火-延伸”來(lái)擴(kuò)增核酸量，看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但其實(shí)從核酸采集到出結(jié)果非常耗費(fèi)時(shí)間。

核酸檢測(cè)的第一步就是樣本采集，也是我們?nèi)粘＝佑|到的“棉簽捅嗓子”階段。這個(gè)階段大家都很熟悉了，無(wú)論是咽拭子還是鼻拭子，大家或許都有所體驗(yàn)，這里也不多介紹。

第二步是樣本保存與轉(zhuǎn)運(yùn)。采集后的樣本，也就是那根棉簽，會(huì)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(shí)是方便后續(xù)工作人員進(jìn)行移液操作，也便于區(qū)分不同的檢測(cè)類型。轉(zhuǎn)運(yùn)就是將一個(gè)個(gè)紅色試管運(yùn)輸?shù)綑z測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)操作，如不能及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)則需要低溫保存。

第三步是今天要介紹的重點(diǎn)，也是核酸檢測(cè)的核心階段核酸提取。由于RNA為單鏈，所以核酸檢測(cè)前，需要先將病毒的RNA逆轉(zhuǎn)錄為DNA雙鏈，再通過(guò)前文提到的PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增，來(lái)達(dá)到檢測(cè)必須的核酸濃度。然后利用熒光基團(tuán)標(biāo)記的方法，來(lái)檢測(cè)樣本中是否含有待測(cè)核算序列，也就是檢測(cè)是否含有新冠病毒特有的基因片段。PCR儀能夠監(jiān)測(cè)出熒光到達(dá)預(yù)先設(shè)定閾值的循環(huán)數(shù)（Ct值）與病毒核酸濃度有關(guān)，病毒核酸濃度越高，Ct值越小。

PCR擴(kuò)增儀 ?圖源：百度百科

第四步則為登記、出結(jié)果。檢測(cè)完成后，工作人員會(huì)注意將陽(yáng)性或陰性的結(jié)果統(tǒng)一上傳，這時(shí)你才會(huì)在手機(jī)上看到核酸檢測(cè)結(jié)果，

我們聚焦核酸檢測(cè)這一流程。在經(jīng)過(guò)信息核驗(yàn)和登記過(guò)后，工作人員首先需要將檢測(cè)管中的可能含有病毒核酸片段的液體用移液槍轉(zhuǎn)移至另一個(gè)試管中，通過(guò)特殊試劑或離心柱法（簡(jiǎn)單講就是把病毒里的核酸甩出來(lái)）進(jìn)行核酸提取，然后再通過(guò)前文提到的PCR技術(shù)進(jìn)行核酸增值。其中，移液的過(guò)程以及PCR增值的操作是最消耗時(shí)間的步驟，這也是核酸檢測(cè)除了外部因素外用時(shí)最長(zhǎng)的流程了。

我們知道，核酸檢測(cè)時(shí)效性十分重要，因此自動(dòng)化、輕便化的檢測(cè)成為提升整體檢測(cè)速度的關(guān)鍵，我們今天的主角——微流控芯片應(yīng)運(yùn)而生。

兼顧效率與準(zhǔn)確的微流控芯片

微流控（Microfluidics）是一種利用微米級(jí)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(shù)和科學(xué)。微流控芯片（Microfluidic Chip）中的流道，一方面可以作為生物化學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)容器，在閥和泵等元件的控制下，自動(dòng)化、大規(guī)模地控制并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的生物化學(xué)流程。另一方面，在微尺度下，微流控芯片中的流體會(huì)呈現(xiàn)可預(yù)測(cè)性標(biāo)準(zhǔn)層流，從而使得系統(tǒng)的建模和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)變得更加容易，讓微流控演變成一種理想的研究生化反應(yīng)的媒介。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

應(yīng)用于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的微流控芯片?? 圖源：IVD分享庫(kù)

說(shuō)回微流控芯片與核酸檢測(cè)。微流控芯片與PCR技術(shù)搭配，能有效縮小了反應(yīng)裝置的體積，單個(gè)PCR儀器內(nèi)也可放置多個(gè)微流控芯片同時(shí)反應(yīng)，降低反應(yīng)整體時(shí)間，可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成核酸擴(kuò)增；此外，更少的反應(yīng)溶液也能有效提升檢測(cè)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(yīng)突發(fā)疫情。

微流控芯片可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)PCR反應(yīng) ?圖源：IVD_study

那么有了微流控芯片加持的PCR技術(shù)，它的算力能提升多少呢？

微流控芯片其實(shí)并不是傳統(tǒng)意義上的芯片。它沒(méi)有工作電壓，不需要內(nèi)存，甚至不需要通電，也自然沒(méi)有算力、線程等參數(shù)。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(gè)流體通道（基材可以是硅、玻璃、石英、環(huán)氧樹脂甚至特殊紙張等材料），然后再?gòu)牧黧w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(tǒng)半導(dǎo)體芯片如出一轍。

光刻，是半導(dǎo)體芯片制造流程的關(guān)鍵步驟。它讓涂膠后的晶圓曝光，精準(zhǔn)去除特定部分，在晶圓表面留下光掩膜上的微型圖形結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)后續(xù)的刻蝕、離子注入等工序，將光掩膜圖案“刻”在晶圓上，這一過(guò)程會(huì)重復(fù)上千次，最終在晶圓表面建立復(fù)雜的mos電路。微流控芯片也同樣使用這一原理，不過(guò)微流控芯片的圖案相比半導(dǎo)體芯片要簡(jiǎn)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(yī)療

既然用到光刻，那是否也會(huì)用到高精度光刻機(jī)來(lái)制作呢？

不需要，微流控芯片的制程目前還處于微米（μm）級(jí)別，不僅不需要高精度光刻機(jī)，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(shè)計(jì)微流控芯片的通道，然后讓圖紙轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)用圖形文件，在用高分辨率打印機(jī)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(jìn)行曝光，以此來(lái)減少光線穿過(guò)光掩膜后衍射效應(yīng)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(yīng)用半導(dǎo)體的電氣效應(yīng)

本質(zhì)上，微流控芯片是承載“實(shí)驗(yàn)液體”的微型實(shí)驗(yàn)室或培養(yǎng)基。它可以把所涉及的化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域中的樣品制備、反應(yīng)檢測(cè)，細(xì)胞培養(yǎng)、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(xué)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。由于硅或玻璃具有良好的化學(xué)惰性與熱穩(wěn)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(yīng)的良好容器。

總的來(lái)說(shuō)，微流控芯片用到了半導(dǎo)體材料作為主要結(jié)構(gòu)，但沒(méi)使用到半導(dǎo)體芯片所依賴的電氣效應(yīng)。所以，作為集成了多個(gè)作用的微小結(jié)構(gòu)，是可以用“芯片”來(lái)形容它的，若從半導(dǎo)體角度看，微流控芯片又與傳統(tǒng)芯片的定義相差很遠(yuǎn)。所以，微流控芯片，是芯片，也不是芯片。

微流控芯片，不止應(yīng)用于核酸檢測(cè)

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(guó)被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”（lab-on-a-chip），隨著材料科學(xué)與MEMS技術(shù)的發(fā)展，微流控芯片逐漸有了突破性進(jìn)展。

醫(yī)學(xué)專家對(duì)微流控芯片出現(xiàn)的意義做出總結(jié)：“首先，微型化是人類社會(huì)發(fā)展的一種趨勢(shì)，面對(duì)我們所生存的已經(jīng)消耗過(guò)度的地球，微型化反映了人類對(duì)資源枯竭的憂慮和對(duì)資源利用的優(yōu)化。其次，世界上有太多的技術(shù)和流體操控有關(guān)，而當(dāng)被操控的流體在一個(gè)微米尺度的空間里流動(dòng)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)很多新的現(xiàn)象，其中的一部分至今還沒(méi)有被我們所充分認(rèn)識(shí)。第三則是基于對(duì)系統(tǒng)研究的需求。系統(tǒng)學(xué)研究整體，更研究構(gòu)成整體的各個(gè)局部之間的相互聯(lián)系，自古以來(lái)，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(shù)并使之靈活組合和規(guī)模集成的特征使其可能成為系統(tǒng)研究的重要平臺(tái)?！?/p>

由于微流控技術(shù)具有耗時(shí)短，重量輕的特點(diǎn)，因此它可以應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)。微流控系統(tǒng)通過(guò)與MEMS系統(tǒng)的配合，可以快速跟蹤并檢測(cè)病原體，且不需要專業(yè)人員操作；近年來(lái)柔性可穿戴設(shè)備的發(fā)展，也給了微流控技術(shù)一定的發(fā)揮空間，微流控技術(shù)與柔性電子技術(shù)結(jié)合，可以快速分析汗液組成，以此來(lái)檢測(cè)人體多項(xiàng)生命特征；微流控技術(shù)還能植入體內(nèi)，將多種納米顆粒組裝在微流體甬道中用于實(shí)體腫瘤體內(nèi)核磁成像，可以實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)體腫瘤在0.5 h內(nèi)成像，有效減少患者做核磁共振的次數(shù)。

與柔性可穿戴設(shè)備結(jié)合的微流控技術(shù) ?圖源：IVD分享庫(kù)

寫在最后：

微型化、集成化和智能化已經(jīng)成為未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)。傳統(tǒng)半導(dǎo)體，從剛開始幾噸重的埃尼阿克，已經(jīng)變成如今便攜的筆記本電腦或智能手表。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有著同樣的發(fā)展過(guò)程，傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，目前也逐漸集成到一顆芯片大小的區(qū)域上。

作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與MEMS電子工程領(lǐng)域的組合產(chǎn)物，微流控芯片具有極大的開發(fā)與應(yīng)用價(jià)值，不過(guò)隨之而來(lái)的是更加高昂的開發(fā)成本與人才缺乏。目前國(guó)內(nèi)的微流控芯片產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，未來(lái)中美在微流控領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，或許也將不亞于如今的高端芯片領(lǐng)域。

參考資料：
中國(guó)生物工程雜志——基于微流控芯片的核酸等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)研究進(jìn)展
時(shí)忠林、崔俊生、楊柯、胡安中等

微流控PCR芯片的研究
https://www.whchip.com/news/jhmlsfy.html

從微流控技術(shù)到微流控芯片
https://www.atantares.com/f15f43bfae/

超詳細(xì)！微流控芯片在IVD領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)大盤點(diǎn)！
https://m.innomd.org/article/61921e0a23ce964424cfd4a8

維基百科：聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%81%9A%E5%90%88%E9%85%B6%E9%93%BE%E5%BC%8F%E5%8F%8D%E5%BA%94

技術(shù)帖：深度分享國(guó)內(nèi)首家微流控芯片核酸分析技術(shù)
https://www.iivd.net/article-27818-1.html

微流控芯片的主要應(yīng)用、發(fā)展方向和未來(lái)挑戰(zhàn)
https://mp.weixin.qq.com/s/PlCN0P6ziIDZ46A2u5x9cw

微流控芯片≠生物芯片
https://mp.weixin.qq.com/s/IGgPxA42GzPqfUGUYEYxYQ

微流控芯片的制作技術(shù)之光刻技術(shù)
https://mp.weixin.qq.com/s/lVRQVRc5Te-222lIoOmdJQ

PDMS微流控芯片的制作流程及其應(yīng)用
http://www.techusci.com/?thread-104-1.html