徐佳素，張雅，蘇曉崧，張師音，葛勝祥

·綜 述·

紙基微流體技術(shù)在即時(shí)檢測中的應(yīng)用

徐佳素，張雅，蘇曉崧，張師音，葛勝祥

廈門大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，福建 廈門 361102

即時(shí)檢測(Point-of-care testing，POCT) 是在采樣現(xiàn)場或病人旁邊進(jìn)行的一種檢測方式，它利用便攜式分析儀器及配套試劑進(jìn)行檢測，能快速得到結(jié)果，被廣泛應(yīng)用于體外診斷行業(yè)。其中紙基微流體檢測技術(shù)以其成本低廉、操作簡單、檢測快速、設(shè)備便攜、應(yīng)用不受場所限制等優(yōu)點(diǎn)在發(fā)展現(xiàn)場POCT技術(shù)中具有非常大的潛力。近年來，紙基微流體技術(shù)的發(fā)展及其與各種新技術(shù)、新方法的融合推動(dòng)了POCT技術(shù)和方法的實(shí)質(zhì)性發(fā)展。文中簡要概括了紙的分類與特性，介紹了基于紙基微流體技術(shù)發(fā)展而來的樣本前處理方法、反應(yīng)過程中的液流控制方式、反應(yīng)后檢測結(jié)果的讀取與分析手段，綜述了近年來在面向POCT應(yīng)用中各類基于紙基微流體的分析裝置(Microfluidic paper-based analytical devices，μPADs) 的研究進(jìn)展，最后對(duì)紙基微流體技術(shù)在POCT應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了討論，并對(duì)未來前景作了展望。

紙基微流體，即時(shí)檢測，體外診斷

醫(yī)學(xué)診斷對(duì)臨床的決策具有重要影響，然而在醫(yī)學(xué)輔助手段有限的情況下，診斷往往是基于臨床經(jīng)驗(yàn)，存在較大的主觀性。醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室能通過相關(guān)檢測試劑盒對(duì)特定生物指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，輔助醫(yī)學(xué)診斷。但由于此類檢測需依賴于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)人員的操作，限制了其在中心實(shí)驗(yàn)室以外使用。與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室檢測相比，即時(shí)檢測(Point-of-care testing，POCT) 對(duì)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施的依賴程度較低、檢測快速、操作簡單、對(duì)專業(yè)人員要求低，可在中心實(shí)驗(yàn)室以外使用。

其中，微流體技術(shù)在POCT相關(guān)診斷中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，該技術(shù)通過構(gòu)建微流體通道系統(tǒng)對(duì)微量流體進(jìn)行復(fù)雜、精確的操縱，在滿足上述POCT優(yōu)勢的前提下，對(duì)樣本/試劑的需求量少，能進(jìn)行更為復(fù)雜的檢測。目前多數(shù)微流體技術(shù)采用硅、玻璃、聚合物等材料制成微流控芯片，依賴復(fù)雜的芯片制造工藝，并且需要與不同的功能單元(如泵、閥門和反應(yīng)器) 耦合[3]。相比之下，紙材料便宜、來源廣泛、制造工藝相對(duì)簡單、可降解、生物相容性好[4-5]，其特殊的自身結(jié)構(gòu)具有毛細(xì)運(yùn)輸、過濾、試劑儲(chǔ)存、樣本濃縮等功能[6]，在發(fā)展基于紙基微流體的分析裝置(Microfluidic paper-based analytical devices，μPADs) 中無需進(jìn)一步耦合不同功能單元、對(duì)設(shè)備依賴性小，更能滿足POCT的需求 (基于芯片和紙的微流體技術(shù)的詳細(xì)比較見表1)。

因此，本文主要圍繞紙基微流體技術(shù)在POCT中的應(yīng)用研究展開綜述，文中首先對(duì)紙的分類及特性進(jìn)行了基本介紹，之后根據(jù)醫(yī)學(xué)診斷順序依次對(duì)紙基微流體技術(shù)應(yīng)用于檢測反應(yīng)前的樣本前處理方法、反應(yīng)中的液控制方式以及反應(yīng)后的結(jié)果讀取與分析手段進(jìn)行了相應(yīng)的闡述，綜述了各類μPADs的研究進(jìn)展，最后就目前紙基微流體技術(shù)應(yīng)用于臨床POCT方面的挑戰(zhàn)進(jìn)行了探討，并對(duì)其發(fā)展趨勢及前景作了展望。

1 紙的分類及特性

紙(包括膜) 是一種可用于替代硅、玻璃、聚合物等微流控芯片襯底的便宜材料，近年來被廣泛開發(fā)并應(yīng)用于POCT領(lǐng)域，分為纖維素類和非纖維素類。

1.1 纖維素類

纖維素是由葡萄糖以糖苷鍵組成的長鏈大分子化合物[13]，具有親水性、可降解性和生物相容性[4-5]，纖維素類紙的多孔結(jié)構(gòu)結(jié)合親水性能形成毛細(xì)作用，無需額外動(dòng)力便能輸送液體，是尿液分析試紙條[14]和μPADs[15-16]等POCT產(chǎn)品的主要材料。纖維素發(fā)生酯化作用后可得硝酸纖維素，硝酸纖維素膜表面光滑、孔徑均一、具有疏水性、與蛋白有較強(qiáng)的結(jié)合能力[17]，是側(cè)向?qū)游鰴z測試紙條(Lateral flow assays，LFAs)[18-20]等POCT產(chǎn)品的主要材料 (纖維素與硝酸纖維素的具體比較見表2)。

表1 基于芯片與紙的微流體技術(shù)比較

表2 纖維素與硝酸纖維素的比較

1.2 非纖維素類

非纖維素類紙目前使用較少，但亦表現(xiàn)出特殊的優(yōu)越性能，有望將來大規(guī)模應(yīng)用于POCT領(lǐng)域。如玻璃濾紙具有單分散直徑，接觸液體時(shí)不會(huì)膨脹[6]，流體運(yùn)輸速度快[21]；聚醚砜 (Poly-Ether- Sulfone，PES) 膜具有耐熱性[22]，可應(yīng)用于對(duì)反應(yīng)溫度要求較高的檢測實(shí)驗(yàn)。

此外，紙還可以與其他材料集成，形成結(jié)合了不同材料優(yōu)點(diǎn)的裝置。例如，聚二甲基硅氧烷 (Polydimethylsiloxane，PDMS) 基底通常需要額外復(fù)雜的表面化學(xué)修飾以用于固定生物分子，在PDMS微通道內(nèi)引入具有不同功能的紙可以為固定各種生物分子提供簡單有效的策略，無需繁瑣的表面化學(xué)修飾[4,23]。文中接下來將對(duì)紙基結(jié)合微流體技術(shù)在檢測各過程中發(fā)揮的作用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 μPADs上樣本前處理的實(shí)現(xiàn)

2.1 血液樣本前處理

血液樣本多數(shù)情況下需將血漿與紅細(xì)胞 (Red blood cell，RBC) 分離用于下游分析，離心是常用的方法。然而離心機(jī)成本高昂、需外部供電、體積大、不便于攜帶，限制了其在中心實(shí)驗(yàn)室以外使用，且其不適合處理微體積樣本。利用紙的多孔結(jié)構(gòu)以及毛細(xì)作用能實(shí)現(xiàn)血漿分離。紙具有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑尺寸在5–50 μm之間，將該特性與其特有的毛細(xì)作用相結(jié)合，能夠自動(dòng)過濾全血中體積大于紙孔徑的物質(zhì)。因此當(dāng)RBC直徑小于紙的孔徑時(shí)，RBC能順利從紙上通過 (圖1A)，當(dāng)RBC直徑大于紙的孔徑時(shí)，RBC會(huì)被攔截在紙上 (圖1B)，從而實(shí)現(xiàn)RBC與血漿的分離[24]。然而紙的孔徑越小，血漿流動(dòng)速度越慢，且隨著被攔截的RBC增多，紙上小孔被不斷堵塞，阻止了血漿的進(jìn)一步通過?？稍诖嘶A(chǔ)上利用紙的多孔結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存抗RBC抗體 (抗-A，抗-B) 輔助血漿分離。抗RBC抗體能夠促進(jìn)血液中RBC聚集，聚集后的細(xì)胞群體積大，可被孔徑較大的紙攔截，血漿在大孔徑的紙中流動(dòng)速度更快，且細(xì)胞群被攔截在紙上的同時(shí)不會(huì)完全堵塞小孔，保證血漿向下游流動(dòng)(圖1C)[24]。然而大多數(shù)抗紅細(xì)胞抗體僅能促進(jìn)A型、B型和AB型血中RBC的聚集，不能促進(jìn)O型血中RBC的聚集，因此使用該方法前需額外進(jìn)行血型鑒定以確定抗紅細(xì)胞抗體是否能夠誘導(dǎo)RBC聚集，操作較為繁瑣?？蛇M(jìn)一步利用紙的多孔結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)化學(xué)試劑提供滲透壓輔助血漿分離。Nilghaz和Shen[27]據(jù)此開發(fā)了一種對(duì)所有血型均適用的RBC聚集方法，解決了上述不能誘導(dǎo)O型血RBC聚集的問題，該方法先在紙上添加高鹽溶液并干燥保存，全血在加入后產(chǎn)生滲透壓梯度，滲透壓差隨后誘導(dǎo)RBC失水、褶皺和聚集，從而被攔截而實(shí)現(xiàn)血漿分離 (圖1D)。

圖1 μPADs上樣本前處理示意圖(A：RBC順利通過大孔徑的紙[24]；B：RBC被小孔徑的紙攔截[24]；C：抗紅細(xì)胞抗體促進(jìn)RBC凝集[24]；D：高滲溶液誘導(dǎo)RBC聚集；E：非特異性濃縮方法[29]；F：特異性濃縮方法[30])

2.2 非血液樣本前處理

常見的非血液樣本有尿液、痰液、精液等，樣本類型多、黏度范圍大。根據(jù)Lucas-Washburn定律[28]，溶液的流動(dòng)速度隨著黏度的增大而減慢，因而不同粘性的樣本在紙上的流動(dòng)速度不同，從而使μPADs上紙的長度設(shè)計(jì)受限。根據(jù)目前研究，對(duì)于粘度較高的標(biāo)本，如痰液和糞便等，可以通過稀釋來減小粘度，或者縮短其在紙上移動(dòng)的距離；相反，對(duì)于粘度較低的樣本，如尿液和唾液等，可以通過適當(dāng)濃縮或者改變液流速度實(shí)現(xiàn)合理的μPADs設(shè)計(jì)。濃縮也可用于富集樣本，提高檢測的靈敏度，主要包括非特異性濃縮方式和特異性濃縮方式。溶劑去除技術(shù)為常用的非特異性濃縮方式，該技術(shù)通過各種手段去除溶劑，達(dá)到濃縮待測物的效果，例如通過局部加熱濕潤紙通道的末端，利用紙的毛細(xì)作用使溶劑連續(xù)流動(dòng)至加熱位置蒸發(fā)，再利用紙的多孔結(jié)構(gòu)承載溶質(zhì) (圖1E)，從而實(shí)現(xiàn)分析物濃縮[29]。目標(biāo)捕獲技術(shù)可針對(duì)特定待分析物質(zhì)進(jìn)行濃縮，如Rohrman等[30]利用紙具有固定生物分子的能力設(shè)計(jì)了一種增加靶核酸初始濃度的核酸捕獲紙帶，其原理如圖1F所示，該紙帶包被有與目標(biāo)核酸互補(bǔ)的寡核苷酸，能在樣本流經(jīng)時(shí)捕獲目標(biāo)核酸，而其余無關(guān)核酸和蛋白質(zhì)等雜質(zhì)則被傳遞到下游，最后通過洗脫獲得該目標(biāo)核酸以進(jìn)行后續(xù)的分析檢測。

3 反應(yīng)過程中的液流控制

將發(fā)展成熟的、但依賴大型儀器設(shè)備的檢測手段應(yīng)用于POCT上，最大的難點(diǎn)在于如何控制不同試劑到達(dá)反應(yīng)區(qū)的先后順序及各反應(yīng)時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化完成檢測反應(yīng)的多個(gè)步驟，以最大限度地減少對(duì)人員專業(yè)度的需求。前文提到，紙無需外接設(shè)備提供液流動(dòng)力，該特性在自動(dòng)化液體混合、運(yùn)輸?shù)瓤刂品矫婢哂袃?yōu)勢，目前對(duì)μPADs上液流控制的研究主要圍繞反應(yīng)啟?？刂?(相當(dāng)于閥的功能) 和液體流速控制 (相當(dāng)于泵的功能) 兩方面。

3.1 反應(yīng)過程中液流的啟?？刂?/h3>

對(duì)μPADs上反應(yīng)的啟?？刂瓶梢酝ㄟ^以下多種方式實(shí)現(xiàn)：(1) 通過折疊紙可以實(shí)現(xiàn)不同紙通道之間試劑的接觸或分離，進(jìn)而控制反應(yīng)的開始或停止。例如B?hringer課題組[31]提出的一種新型核酸純化裝置將相應(yīng)的核酸純化試劑放置于不同層，通過順序折疊能實(shí)現(xiàn)不同層試劑的接觸、混合，啟動(dòng)反應(yīng) (圖2A)；唐蕊華等[32]對(duì)紙運(yùn)輸通道進(jìn)行折疊，折疊的通道在無液體或者是液體尚未完全潤濕管道前，與另一通道處于分離模式，在液體完全潤濕后伸展并與另一管道接觸，完成液體的運(yùn)輸，以啟動(dòng)下一反應(yīng) (圖2B)。(2) 紙具有可變形性，可通過改變紙的變形程度控制特定通道液體的流動(dòng)[33]。圖2C展示了按壓控制液流通過的原理圖，圖中黑色部分為固定材料、藍(lán)色部分為流經(jīng)液體的紙通道，灰色部分為未流經(jīng)液體的紙通道。通過用觸筆或圓珠筆手動(dòng)按下設(shè)備中的“開”按鈕，可以在兩個(gè)垂直對(duì)齊的通道之間關(guān)閉單獨(dú)的層中的間隙，實(shí)現(xiàn)上下兩層紙的接觸，從而允許流體從一個(gè)通道進(jìn)入到另一個(gè)通道。(3) 在兩個(gè)紙通道之間插入一個(gè)可溶解的多孔橋可以阻斷液流的流動(dòng)[34]。如圖2D所示，該橋可由蔗糖、海藻糖、甘露糖等材料制成，在通過精確體積的流體之后溶解，阻斷液流的進(jìn)一步通過。通過的總體積可以使用若干實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括橋的橫截面積、橋的組成成分以及紙通道材料的選擇。將上述“閥”應(yīng)用到μPADs中可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)反應(yīng)啟停的自動(dòng)控制操作。

圖2 反應(yīng)過程中液流控制示意圖(A：折疊實(shí)現(xiàn)試劑的混合以啟動(dòng)反應(yīng)；B：液體通過折疊通道后伸展并與另一通道接觸；C：按壓箭頭所示位置使液流通過；D：可溶橋在通過一定體積液體后溶解；E：不同長度管道上液體依次到達(dá)檢測區(qū)；F：不同寬度管道上的液體流動(dòng)速度不同；G：管道上修飾不同程度蔗糖、海藻糖等改變流經(jīng)液體速度)

3.2 反應(yīng)過程中液流的流速控制

紙上液體的流動(dòng)速度是由多個(gè)因素決定的，如紙的幾何形狀 (長度、寬度)[35]、紙的性質(zhì) (孔隙度、表面化學(xué)修飾)[36]、液體黏度[28, 37]、環(huán)境條件(溫度、濕度)[38]等。通多對(duì)紙的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)能控制液流的順序釋放。例如改變紙通道的長度能影響液體的流動(dòng)速度和到達(dá)目的區(qū)域所需流動(dòng)時(shí)間，并且所連通道越短，越先到達(dá)目的區(qū)域[35]，因此可以通過合理設(shè)計(jì)紙通道的長度，實(shí)現(xiàn)對(duì)液流的控制。如圖2E所示，將A、B、C三種試劑置于連接長、中、短三種長度的紙基通道口，可實(shí)現(xiàn)C、B、A依次到達(dá)檢測區(qū)。改變紙通道的寬度能改變流速，所連接通道越窄，流動(dòng)速度越快，因此亦可以通過合理設(shè)計(jì)紙通道的寬度實(shí)現(xiàn)對(duì)液流的控制[35]。給不同寬度的紙基通道A、B相同的初速度 (等寬起點(diǎn))、相同的流動(dòng)時(shí)間，通道B因更窄而優(yōu)先到達(dá)檢測區(qū) (圖2F)。然而對(duì)紙質(zhì)流體通道幾何形狀的設(shè)計(jì)容易在空間上受到限制，并且增寬或延長紙基通道將需要更大的樣品體積來潤濕通道，不適合處理小體積樣本。另一種改變流速的手段是通過局部改變紙的孔隙度。Shin等[36]通過壓縮紙張?zhí)囟▍^(qū)域的基質(zhì)以降低孔隙度，紙壓縮后增加了該區(qū)域的流體阻力，且流動(dòng)阻力的大小可以通過施加到該區(qū)域的壓縮程度來調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)了流速。前文中提到，溶液的流動(dòng)速度隨著黏度的增大而減慢[28]，因此在紙管道上修飾液流經(jīng)過時(shí)能溶解的物質(zhì)，可以改變液體的粘度，進(jìn)而改變流速。如圖2G所示，Lutz等[37]通過在各個(gè)通道上修飾不同程度的蔗糖，改變流經(jīng)液體的黏度進(jìn)而改變流速，使液流順序進(jìn)入檢測區(qū)。蔗糖為非還原性糖，因此通常不影響測定。然而，在測定中添加糖可能限制可測量的分析物的類型，例如，基于糖的流速控制對(duì)于與葡萄糖相關(guān)的許多檢測是不可行的。此外，環(huán)境條件的改變也會(huì)對(duì)液體在紙上的流動(dòng)速度產(chǎn)生一定的影響[38]。

4 μPADs上結(jié)果讀取與分析

用于檢測POCT裝置中輸出信號(hào)的常規(guī)方法有比色法檢測、熒光檢測、化學(xué)發(fā)光檢測、電化學(xué)發(fā)光檢測、電化學(xué)檢測等。比色法檢測可由最終用戶直接肉眼觀察顏色變化讀取與分析結(jié)果，結(jié)果讀取方便，分析簡單，而其余檢測方法通常多涉及到外接設(shè)備，操作復(fù)雜且不便攜帶，相比之下，比色法檢測更能很好地滿足POCT的需求 (不同信號(hào)檢測方法應(yīng)用于POCT的詳細(xì)比較見表3)。紙大多是白色的，能與其他色彩形成強(qiáng)烈對(duì)比，是比色法檢測的良好介質(zhì)，因此比色法檢測與紙基微流體技術(shù)的結(jié)合在發(fā)展無需大型外部檢測系統(tǒng)的POCT應(yīng)用中更具有優(yōu)勢。

4.1 肉眼結(jié)果讀取與分析

對(duì)于定性檢測，可以通過肉眼觀察μPADs上相應(yīng)區(qū)域顏色變化進(jìn)行視覺判斷，若出現(xiàn)設(shè)定顏色變化則為陽性，否則為陰性。此外，通過將顏色變化的深淺與預(yù)先設(shè)定的分?jǐn)?shù)圖表進(jìn)行比較，能判斷待測物濃度的大致范圍。然而，由于終端用戶在不同的光照條件下對(duì)顏色深淺的視覺感知不同，用肉眼進(jìn)行的視覺比色測量存在局限性，無法精確定量分析。Jeong等[39]最近開發(fā)了一種無需外部設(shè)備的“定量”檢測裝置，用于測定樣本中牛血清白蛋白(Bovine serum albumin，BSA) 的含量。其原理如圖3A所示，液流通道上裝載有預(yù)先嵌入反應(yīng)試劑的圓片，樣本加入后沿著圓片所在通道順序流動(dòng)，樣本中的BSA在流動(dòng)過程中不斷被消耗，并同時(shí)發(fā)生顏色變化，最后通過計(jì)算顏色變化的圓片個(gè)數(shù)來測量樣品溶液中BSA的濃度。同樣地，消耗試劑產(chǎn)生顏色變化也可以通過在紙上修飾“刻度尺”實(shí)現(xiàn) (圖3B)[11, 40]。另一種克服顏色深淺感知局限性的方法是對(duì)單個(gè)分析物使用多個(gè)指示劑[41]，如圖3C所示，每個(gè)指示劑在不同的分析物濃度下改變顏色，同時(shí)顏色變化深淺也能指示濃度，故可以根據(jù)不同指示劑顏色的變化情況進(jìn)行“定量”。與使用單一指示劑相比，當(dāng)產(chǎn)生多于一種顏色的不同色調(diào)或強(qiáng)度時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更大的視覺辨別，提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。

4.2 便攜設(shè)備輔助結(jié)果讀取與分析

上述肉眼結(jié)果讀取與分析方式能在一定程度上減少肉眼觀測時(shí)可能存在的終端用戶主觀判斷差異，然而當(dāng)檢測信號(hào)接近閾值時(shí)，肉眼有限的顏色分辨率仍會(huì)導(dǎo)致有爭議的檢測結(jié)果，可適當(dāng)借助外部設(shè)備進(jìn)行客觀分析判斷。μPADs結(jié)合具有識(shí)別元件的低成本讀取器能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定量檢測，如Whitesides課題組[48]設(shè)計(jì)了定量檢測尿液中葡萄糖與蛋白質(zhì)的μPADs，該裝置通過便攜式掃描儀測量檢測區(qū)數(shù)字圖像中的顏色強(qiáng)度，將其與校準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較來計(jì)算分析物的濃度。

表3 不同信號(hào)檢測方法應(yīng)用于POCT的比較

圖3 結(jié)果讀取與分析示意圖(A：顏色變化個(gè)數(shù)指示濃度；B：顏色變化長度指示濃度；C：不同指示劑的變化指示濃度)

4.3 遠(yuǎn)程醫(yī)療

目前智能手機(jī)成像能力強(qiáng)大、普及率廣，是一個(gè)很有吸引力的外部設(shè)備定量分析工具，通過手機(jī)拍照對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行圖像采集，采集的圖像可以通過手機(jī)上安裝的特定應(yīng)用程序或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，或者遠(yuǎn)程發(fā)送給受過培訓(xùn)的醫(yī)學(xué)專業(yè)人員進(jìn)行分析與結(jié)果解釋，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。圖像中的顏色強(qiáng)度可能會(huì)因?yàn)榕臄z時(shí)的照明條件、相機(jī)的分辨率和圖像的焦點(diǎn)而變化，可以通過使用顏色校準(zhǔn)表進(jìn)行調(diào)整。

我們相信高靈敏度的色度信號(hào)可以通過肉眼輕松檢測，再加上手持讀取器或現(xiàn)成的智能手機(jī)拍照客觀輔助檢測，將來可以實(shí)現(xiàn)低成本和準(zhǔn)確的定量檢測。

5 總結(jié)與展望

紙基微流體技術(shù)作為一種新興技術(shù)，近年來在應(yīng)用于POCT上取得了一定的進(jìn)展。從樣本前處理到結(jié)果讀取與分析的各步驟，該技術(shù)均能利用紙的獨(dú)特性質(zhì)進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì) (表4)，使得原本操作繁瑣的臨床檢測不再受限于中心實(shí)驗(yàn)室，僅需在μPADs上便能完成檢測并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。

然而目前μPADs產(chǎn)品尚未大規(guī)模投入臨床使用，其發(fā)展仍面臨臨床表現(xiàn)、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先，在臨床表現(xiàn)方面：μPADs操作雖然已經(jīng)較為簡便，但部分用戶在使用過程中仍可能出現(xiàn)操作失誤，或者不能正確判讀結(jié)果，因此有必要對(duì)操作步驟進(jìn)一步整合，簡化結(jié)果判讀方式；由于更多是面向經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療衛(wèi)生等條件相對(duì)落后的地區(qū)，μPADs產(chǎn)品需要具備比常規(guī)診斷產(chǎn)品更高的穩(wěn)定性，以應(yīng)對(duì)在運(yùn)輸、保存和使用過程中可能面對(duì)的各種不理想條件。尤其是試劑保存的穩(wěn)定性、試劑的干燥工藝、包裝密封性、保存環(huán)境的溫濕度等都可能會(huì)對(duì)其活性造成影響；即便是在用戶操作和結(jié)果判讀正確、試劑性能與新配制試劑相當(dāng)?shù)那闆r下，目前大多數(shù)μPADs產(chǎn)品的靈敏度、特異性和重復(fù)性等性能與中心實(shí)驗(yàn)室檢測相比還是存在差距[49-51]。其原因可歸結(jié)為試劑/樣本用量減少、反應(yīng)時(shí)間變短、反應(yīng)流程簡化等多方面的綜合效應(yīng)。因此，研究人員還需對(duì)方法學(xué)作更進(jìn)一步的優(yōu)化。其次，在產(chǎn)業(yè)化方面：紙的常用加工工藝為切割、折疊等，制作簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但部分因涉及精密而復(fù)雜的微量流體操控，對(duì)工藝要求高。μPADs在與干燥試劑整合過程中可能因試劑呈松散的粉末狀而難度增加，且部分試劑對(duì)環(huán)境溫濕度要求較高，增加了生產(chǎn)難度。最后，在商業(yè)化方面：雖然紙的制作原料在大自然中普遍存在，成本低廉，但是μPADs涉及的支撐/保護(hù)材料以及微小精密的生產(chǎn)工藝成本相對(duì)較高，且產(chǎn)品多為一次性使用，致使部分產(chǎn)品的單個(gè)檢測成本高。值得注意的是，紙基微流體發(fā)展時(shí)間短，相關(guān)產(chǎn)品的政策法規(guī)和行業(yè)相關(guān)法規(guī)尚不十分明確，需要朝這個(gè)方向做更多的工作。

表4 紙應(yīng)用于POCT中的特性和優(yōu)勢

已有的紙基微流體研究主要集中在開發(fā)單一功能的獨(dú)立操作，今后應(yīng)盡可能將多個(gè)基本操作簡化成單個(gè)完整系統(tǒng)的操作。例如現(xiàn)有的對(duì)于全血分離的研究主要集中在單一全血分離模塊的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，而目前較多μPADs的檢測需要單獨(dú)離心，若能將二者整合則能極大方便操作者使用。隨著檢驗(yàn)指標(biāo)不斷被發(fā)現(xiàn)，多種指標(biāo)聯(lián)合使用能在一定程度上增加靈敏度和特異性，對(duì)疾病的判斷有更大的幫助，因此今后應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展能同時(shí)進(jìn)行多種指標(biāo)檢測的μPADs。就目前而言，雖然紙基微流體技術(shù)產(chǎn)品在臨床檢測性能、商業(yè)化方面雖仍面臨挑戰(zhàn)，但相比于中心實(shí)驗(yàn)室成熟但操作復(fù)雜的檢測方法，紙基微流體技術(shù)更能滿足急診手術(shù)室、小型醫(yī)院、社區(qū)診所、家庭、野外或資源匱乏等地區(qū)對(duì)樣本進(jìn)行現(xiàn)場、簡單、快速檢測的需求。相信未來不僅可以被廣泛應(yīng)用在POCT領(lǐng)域，也可被廣泛發(fā)展應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、獸醫(yī)學(xué)、食品安全、環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域，并發(fā)揮重大作用。

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Application of paper-based microfluidics in point-of-care testing

Jiasu Xu, Ya Zhang, Xiaosong Su, Shiyin Zhang, and Shengxiang Ge

,,361102,,

Point-of-care testing (POCT) is a test method performed on the sampling site or patient bedside. Accurate results can be achieved rapidly by the application of portable analytical instruments and compatible reagents. It has been widely used in the field ofdiagnosis (IVD). Paper-based microfluidics technology has great potential in developing POCT due to its advantages in low cost, simple operation, rapid detection, portable equipment, and unrestricted application conditions. In recent years, the development of paper-based microfluidic technology and its integration with various new technologies and methods have promoted the substantial development of POCT technology and methods. The classification and characteristic of the paper are summarized in this review. Paper-based microfluidic sample pretreatment methods, the flow control in the process of reaction and the signal detecting and analyzing methods for the testing results are introduced. The research progress of various kinds of microfluidic paper-based analytical devices (μPADs) toward POCT in recent years is reviewed. Finally, remaining problems and the future prospects in POCT application of paper-based microfluidics are discussed.

paper-based microfluidics, point-of-care testing,diagnosis

10.13345/j.cjb.190518

November 19, 2019;

March 17, 2020

Supported by:National Natural Science Foundation of China (No. 81871505), National Scientific and Technological Major Projects in Infectious Disease (No. 2018ZX107302101-001), Science and Technology Development Project of Fujian Province (No. 2017J05136).

Shengxiang Ge.Tel: +86-592-2188381; E-mail: sxge@xmu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金 (No. 81871505)，傳染病重大專項(xiàng) (No. 2018ZX107302101-001)，福建省自然科學(xué)基金 (No. 2017J05136)資助。

2020-03-26

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1998.Q.20200325.0746.001.html

徐佳素, 張雅, 蘇曉崧, 等. 紙基微流體技術(shù)在即時(shí)檢測中的應(yīng)用. 生物工程學(xué)報(bào), 2020, 36(7): 1283–1292.

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(本文責(zé)編 郝麗芳)