本文來自 與非網(wǎng)eefocus，作者/劉浩然。
每天起床第一句，先去樓下做核酸。
核酸檢測，可能是近兩年來我們參與頻率最高的集體活動。疫情期間，我們除了每天要在通勤路上消耗掉寶貴的時光，偶爾還要在核酸檢測點(diǎn)前排出一條長龍。即使做完了核酸，等待結(jié)果的過程也讓我們憑空多了份焦慮。慢，成為了核酸檢測摘不掉的標(biāo)簽；等，也成為了我們的生活常態(tài)。
不過進(jìn)入12月以來，全國疫情防控力度逐漸降低，核酸檢測這項(xiàng)活動在我們生活動占的比例也逐漸減小，但是“陪伴”了你三年的核酸檢測，你真的了解它嗎？
核酸檢測
PCR階段是關(guān)鍵
核酸檢測本質(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，它可以對送檢液體自動進(jìn)行“變性-退火-延伸”來擴(kuò)增核酸量，看起來非常簡單，但其實(shí)從核酸采集到出結(jié)果非常耗費(fèi)時間。
01
樣本采集
也是我們?nèi)粘＝佑|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(yàn)，這里也不多介紹。
02
樣本保存與轉(zhuǎn)運(yùn)
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(shí)是方便后續(xù)工作人員進(jìn)行移液操作，也便于區(qū)分不同的檢測類型。轉(zhuǎn)運(yùn)就是將一個個紅色試管運(yùn)輸?shù)綑z測機(jī)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)操作，如不能及時轉(zhuǎn)運(yùn)則需要低溫保存。
03
核酸提?。ê诵碾A段）
由于RNA為單鏈，所以核酸檢測前，需要先將病毒的RNA逆轉(zhuǎn)錄為DNA雙鏈，再通過前文提到的PCR技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)增，來達(dá)到檢測必須的核酸濃度。然后利用熒光基團(tuán)標(biāo)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(jiān)測出熒光到達(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
04
登記、出結(jié)果
檢測完成后，工作人員會注意將陽性或陰性的結(jié)果統(tǒng)一上傳，這時你才會在手機(jī)上看到核酸檢測結(jié)果，
我們聚焦核酸檢測這一流程。在經(jīng)過信息核驗(yàn)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(zhuǎn)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(jìn)行核酸提取，然后再通過前文提到的PCR技術(shù)進(jìn)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(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呈現(xiàn)可預(yù)測性標(biāo)準(zhǔn)層流，從而使得系統(tǒng)的建模和反應(yīng)動力學(xué)預(yù)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(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
說回微流控芯片與核酸檢測。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PCR儀器內(nèi)也可放置多個微流控芯片同時反應(yīng)，降低反應(yīng)整體時間，可以在更短的時間內(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。
微流控芯片可同時進(jìn)行多個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。它沒有工作電壓，不需要內(nèi)存，甚至不需要通電，也自然沒有算力、線程等參數(shù)。那微流控芯片，為什么是芯片？
是芯片，非芯片
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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(huán)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(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，這一過程會重復(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，不過微流控芯片的圖案相比半導(dǎo)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(yī)療
既然用到光刻，那是否也會用到高精度光刻機(jī)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(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)計微流控芯片的通道，然后讓圖紙轉(zhuǎn)化為設(shè)計用圖形文件，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，以此來減少光線穿過光掩膜后衍射效應(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，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。
總的來說，微流控芯片用到了半導(dǎo)體材料作為主要結(jié)構(gòu)，但沒使用到半導(dǎo)體芯片所依賴的電氣效應(yīng)。所以，作為集成了多個作用的微小結(jié)構(gòu)，是可以用“芯片”來形容它的，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
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(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，微型化是人類社會發(fā)展的一種趨勢，面對我們所生存的已經(jīng)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(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微米尺度的空間里流動的時候，會出現(xiàn)很多新的現(xiàn)象，其中的一部分至今還沒有被我們所充分認(rèn)識。第三則是基于對系統(tǒng)研究的需求。系統(tǒng)學(xué)研究整體，更研究構(gòu)成整體的各個局部之間的相互聯(lián)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(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。”
由于微流控技術(shù)具有耗時短，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)測領(lǐng)域內(nèi)。微流控系統(tǒng)通過與MEMS系統(tǒng)的配合，可以快速跟蹤并檢測病原體，且不需要專業(yè)人員操作；近年來柔性可穿戴設(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，以此來檢測人體多項(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
寫在最后
微型化、集成化和智能化已經(jīng)成為未來科技發(fā)展的趨勢。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)用價值，不過隨之而來的是更加高昂的開發(fā)成本與人才缺乏。目前國內(nèi)的微流控芯片產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，未來中美在微流控領(lǐng)域的競爭，或許也將不亞于如今的高端芯片領(lǐng)域。
