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离心微流控的原理、仪器与医学应用

嘉峪检测网        2022-08-27 06:08

在过去二十年中,微流控一直都是微流体研究领域的热门话题,其中离心式微流控平台是目前市场上非常常见,应用非常广泛的一种,经常应用于临床化学、免疫诊断和蛋白质分析、细胞处理、分子诊断以及食品、水和土壤分析等领域。

 

离心微流控(Lab-on-a-Disc,简称LOAD)是一种芯片上实验室技术,也称为盘上实验室,在单个圆盘上处理不同的液体,如样品提取、样品预处理、试剂供应、计量、等分、阀门、混合、培养、洗涤以及分析或制备分离等过程,以实现单元操作,实现高效的小型化、并行化和集成化分析。

 

其原理-在离心力和科里奥利效应下使用非惯性阀和开关,以高度并行的顺序在磁盘周围分配流体。流体流动的主要驱动力是离心力,将流体从圆盘中心径向向外移动,完成对流体的控制。

 

离心微流控技术在单个设备中结合了微流控和离心力的优点。与其他微流控技术相比,离心微流控设备除了占地面积小,样品操作简单,可响应微全分析系统之外,还具有无需多个泵、能够处理大体积样品、预存储试剂、操作简单而稳定等优势。

 

比较微流控中不同流体的控制策略

 

流体控制策略

离心微流控

液滴微流控

数字微流控

原则

使用离心力处理样品和试剂

处理互不相容的多相流体剪切形成单分散的液滴

通过静电力来单独控制小体积试剂和样品

应用

核酸分析;血液分析;免疫测定;即时诊断;DNA提取

材料合成;小分子筛选;即时诊断;医学研究

数字PCR;样品制备或提取;血液分析;DNA分析;细胞分析;免疫测定

优势

仪器数量最少;无需多个泵;并行化操作

减少试剂和样品消耗;液滴可以重复测试

无需机械泵或阀门;并行执行多项测试

挑战

大规模集成困难;流体的流动是单向的

仪器制造成本过高;难以控制流动方向和量度

难以对分析物分离和浓缩;对温度和压力要求较高

 

离心微流体系统的仪器和操作

 

离心式微流控系统由圆盘和设备两个主要部件组成,通常是配备简单的单个转动部件,利用与离心机相同的离心力原理,与微流体技术相结合,有助于减少样品体积,缩短反应时间,并消除对外部泵的依赖。离心泵用于从中心径向向外移动流体,从一个腔室到另一个腔体的移动由微结构控制。旋转速度、连接的通道尺寸、流体室的位置和流体的粘度决定了通道中的流速。复杂的微流控装置操作可以在单个盘上进行,该盘中嵌入了完整的微流态结构。盘由热塑性材料制成,如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或环烯烃共聚物。因此,与其他IVD技术相比,每次测试的成本可以显著降低。此外,这些材料的透明光学特性允许过程的直接可视化,以及在盘上的直接光学检测。

 

这些优势不仅促进了离心微流控的发展,也吸引了许多公司开发基于离心微流控的产品。

 

  核酸分析    

 

常规的台式核酸分析耗时,并且需要熟练的操作人员和相对昂贵的设备。随着离心微流控技术的发展,所有这些台式工作流程都可以集成到一个圆盘状芯片中,在很大程度上减少了反应时间以及试剂和设备成本。这项技术还使基于核酸分析的POCT系统更容易集成,因为它需要最少的外部资源,并且不需要特殊的操作培训。

 

  血液分析    

 

血液中的葡萄糖、电解质、蛋白质和脂质等参数可以提供有关人体状况的很多信息。将这些参数的检测集成到离心微流控盒中,可以实现定点护理并加快基于血液的诊断。此外,减少实验室测试的周转时间为更好地监测患者的健康和减少不必要的治疗和医院成本提供了机会。

 

  免疫测定    

 

基于抗体对抗原的高度特异性,免疫测定已成为临床诊断、生物和生化疾病研究、药物开发和环境分析的重要工具。尽管免疫测定目前是非常成熟的技术,但测试过程需要大量的人工处理步骤,繁琐而冗长的过程通常会导致结果的不一致。基于离心微流控系统的自动化有助于降低成本并确保结果一致,也可以轻松进行并行免疫分析,将免疫分析集成到离心微流控系统中是一个非常聪明的方法。

 

其他生物医学应用  

 

离心微流控系统也可以适用于许多基于细胞的分析。这些分析通常涉及细胞分离或捕获以及对分离细胞的分析。细胞分离使研究人员能够在规定的环境中研究和分析单个细胞,并有望成为一种研究工具,尤其是在制药领域。

 

尽管离心微流控在过去几十年中发展迅速,但目前仍然面临着很多挑战。

 

对POCT诊断而言,由于旋转系统与盘形芯片相比较大而重,基于离心微流控的诊断设备在一定程度上放弃了其便携性的需求。由于盘形芯片远离旋转中心的距离,以及流动方向和半径限制,其大规模集成也比较困难。

 

随着研究人员逐渐将重点从流体控制和控制技术的开发转移到离心微流控系统的工程设计,未来有望开发出更好的替代解决方案。微流控技术成为医疗行业的标准只是时间问题。全球不断增长的微流控设备市场将推动医疗公司研发并优化系统以实现离心微流控产品的商业化。未来很长一段时间内,医疗公司会在电化学传感器的集成和能够完全自动化的整个系统的开发方面进行研究,有望进一步降低未来系统的使用成本。

 

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来源:ITL创新器械开发