三年了，你知道核酸检测用的“芯片”吗？

本文来自微信公众号：与非网eefocus （ID：ee-focus），作者：刘浩然，题图来自：视觉中国

每天起床第一件事，先去楼下做核酸。

核酸检测，可能是近两年多来我们参与频率最高的集体活动。疫情期间，我们除了每天要在通勤路上消耗掉宝贵的时光，偶尔还要在核酸检测点前排出一条长龙。即使做完了核酸，等待结果的过程也让我们凭空多了份焦虑。慢，成为了核酸检测摘不掉的标签；等，也成为了我们的生活常态。

不过进入12月以来，疫情防控政策逐渐放开，核酸检测这项活动在我们生活中占的比例也逐渐减小，但是“陪伴”了你三年的核酸检测，你真的了解它吗？

一、核酸检测，PCR阶段是关键

核酸检测本质上是利用我们高中生物书上学到的PCR反应（聚合酶链式反应）来实现的。PCR反应利用DNA的双链复制原理，可以在体外大量扩增目的基因。核酸在扩增阶段需要用到PCR仪，它可以对送检液体自动进行“变性-退火-延伸”来扩增核酸量，看起来非常简单，但其实从核酸采集到出结果非常耗费时间。

1. 样本采集

也是我们日常接触到的“棉签捅嗓子”阶段。这个阶段大家都很熟悉了，无论是咽拭子还是鼻拭子，大家或许都有所体验，这里也不多介绍。

2. 样本保存与转运

采集后的样本，也就是那根棉签，会被保存在装有红色液体的采集管中。红色的液体就是病毒保存液，它含有灭菌与能灭活病毒的成分以及酸碱适中的PH值，既能让病毒失活又可以保正病毒的核酸不被外界破坏。至于它为什么为红色，其实是方便后续工作人员进行移液操作，也便于区分不同的检测类型。转运就是将一个个红色试管运输到检测机构进行后续操作，如不能及时转运则需要低温保存。

3. 核酸提取（核心阶段）

由于RNA为单链，所以核酸检测前，需要先将病毒的RNA逆转录为DNA双链，再通过前文提到的PCR技术进行扩增，来达到检测必须的核酸浓度。然后利用荧光基团标记的方法，来检测样本中是否含有待测核算序列，也就是检测是否含有新冠病毒特有的基因片段。PCR仪能够监测出荧光到达预先设定阈值的循环数（Ct值）与病毒核酸浓度有关，病毒核酸浓度越高，Ct值越小。

PCR扩增仪

图源 | 百度百科

4. 登记、出结果

检测完成后，工作人员会将阳性或阴性的结果统一上传，这时你才会在手机上看到核酸检测结果。

我们聚焦核酸检测这一流程。在经过信息核验和登记过后，工作人员首先需要将检测管中的可能含有病毒核酸片段的液体用移液枪转移至另一个试管中，通过特殊试剂或离心柱法（简单讲就是把病毒里的核酸甩出来）进行核酸提取，然后再通过前文提到的PCR技术进行核酸增值。其中，移液的过程以及PCR增值的操作是最消耗时间的步骤，这也是核酸检测除了外部因素外用时最长的流程了。

核酸检测时效性十分重要，因此自动化、轻便化的检测成为提升整体检测速度的关键，我们今天的主角——微流控芯片应运而生。

二、兼顾效率与准确的微流控芯片 

微流控（Microfluidics）是一种利用微米级流道处理加工微量（1纳升至1阿升，1纳升=0.000001毫升）液体的技术和科学。微流控芯片（Microfluidic Chip）中的流道，一方面可以作为生物化学相关实验的反应容器，在阀和泵等元件的控制下，自动化、大规模地控制并实现复杂的生物化学流程。

另一方面，在微尺度下，微流控芯片中的流体会呈现可预测性标准层流，从而使得系统的建模和反应动力学预测变得更加容易，让微流控演变成一种理想的研究生化反应的媒介。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

应用于聚合酶链式反应(PCR)的微流控芯片

图源 | IVD分享库

说回微流控芯片与核酸检测。微流控芯片与PCR技术搭配，能有效缩小了反应装置的体积，单个PCR仪器内也可放置多个微流控芯片同时反应，降低反应整体时间，可以在更短的时间内完成核酸扩增；此外，更少的反应溶液也能有效提升检测灵敏度；微流控由于体积减小，也具有了一定的便携性，可以更快响应突发疫情。

微流控芯片可同时进行多个PCR反应

图源 | IVD_study

那么有了微流控芯片加持的PCR技术，它的算力能提升多少呢？

微流控芯片其实并不是传统意义上的芯片。它没有工作电压，不需要内存，甚至不需要通电，也自然没有算力、线程等参数。那微流控芯片，为什么是芯片？

三、是芯片，非芯片

1. 是芯片：涂胶、光刻、刻蚀样样都有

制作微流控芯片，首先要在基材上做出一个流体通道（基材可以是硅、玻璃、石英、环氧树脂甚至特殊纸张等材料），然后再从流体通道上打孔方柏霓液体加入，最后将基板密封，形成密闭腔体。而在基材上制作流体通道的工艺，与传统半导体芯片如出一辙。

光刻，是半导体芯片制造流程的关键步骤。它让涂胶后的晶圆曝光，精准去除特定部分，在晶圆表面留下光掩膜上的微型图形结构，然后通过后续的刻蚀、离子注入等工序，将光掩膜图案“刻”在晶圆上，这一过程会重复上千次，最终在晶圆表面建立复杂的mos电路。微流控芯片也同样使用这一原理，不过微流控芯片的图案相比半导体芯片要简单很多，大部分都能做到一次成型。

一种微流控芯片的光掩膜

图源 | 合川医疗

既然用到光刻，那是否也会用到高精度光刻机来制作呢？

不需要，微流控芯片的制程目前还处于微米（μm）级别，不仅不需要高精度光刻机，部分微流控芯片用“纯手工”就可以制作，属于是真的“手搓芯片”。我们可以使用CAD直接设计微流控芯片的通道，然后让图纸转化为设计用图形文件，在用高分辨率打印机将图形打印在透明塑料薄膜上，这样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胶的硅片上（光胶树脂）进行曝光，以此来减少光线穿过光掩膜后衍射效应的影响。

微流控芯片制造流程

图源 | 泰初科技

2. 非芯片：微流控芯片并不应用半导体的电气效应

本质上，微流控芯片是承载“实验液体”的微型实验室或培养基。它可以把所涉及的化学和生物学领域中的样品制备、反应检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到这块很小的芯片上，用于完成不同的生物学和化学反应过程。由于硅或玻璃具有良好的化学惰性与热稳定性，也具有较为成熟的光刻与刻蚀工艺，因此更适宜作为生化反应的良好容器。

总的来说，微流控芯片用到了半导体材料作为主要结构，但没使用到半导体芯片所依赖的电气效应。所以，作为集成了多个作用的微小结构，是可以用“芯片”来形容它的。若从半导体角度看，微流控芯片又与传统芯片的定义相差很远。所以，微流控芯片，是芯片，也不是芯片。

四、微流控芯片，不止应用于核酸检测

起初微流控芯片在欧洲被称为“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），在美国被称为“芯片实验室”（lab-on-a-chip），随着材料科学与MEMS技术的发展，微流控芯片逐渐有了突破性进展。

医学专家对微流控芯片出现的意义有所总结：“首先，微型化是人类社会发展的一种趋势，面对我们所生存的已经消耗过度的地球，微型化反映了人类对资源枯竭的忧虑和对资源利用的优化。其次，世界上有太多的技术和流体操控有关，而当被操控的流体在一个微米尺度的空间里流动的时候，会出现很多新的现象，其中的一部分至今还没有被我们所充分认识。第三则是基于对系统研究的需求。系统学研究整体，更研究构成整体的各个局部之间的相互联系，自古以来，人类一直缺少微小但又能操控全局的工具，微流控芯片能承载多种单元技术并使之灵活组合和规模集成的特征使其可能成为系统研究的重要平台。”

由于微流控技术具有耗时短，重量轻的特点，因此它可以应用在临床医学、食品工业和环境监测领域内。微流控系统通过与MEMS系统的配合，可以快速跟踪并检测病原体，且不需要专业人员操作；近年来柔性可穿戴设备的发展，也给了微流控技术一定的发挥空间，微流控技术与柔性电子技术结合，可以快速分析汗液组成，以此来检测人体多项生命特征；微流控技术还能植入体内，将多种纳米颗粒组装在微流体甬道中用于实体肿瘤体内核磁成像，可以实现实体肿瘤在0.5h内成像，有效减少患者做核磁共振的次数。

与柔性可穿戴设备结合的微流控技术

图源 | IVD分享库

写在最后

微型化、集成化和智能化已经成为未来科技发展的趋势。传统半导体，从刚开始几吨重的埃尼阿克，已经变成如今便携的笔记本电脑或智能手表。生物医学领域也有着同样的发展过程，传统的生物学实验室，目前也逐渐集成到一颗芯片大小的区域上。

作为生物医学领域与MEMS电子工程领域的组合产物，微流控芯片具有极大的开发与应用价值，不过随之而来的是更加高昂的开发成本与人才缺乏。目前国内的微流控芯片产业仍处于起步阶段，未来中美在微流控领域的竞争，或许也将不亚于如今的高端芯片领域。

参考资料：

中国生物工程杂志——基于微流控芯片的核酸等温扩增技术研究进展

时忠林、崔俊生、杨柯、胡安中等

微流控PCR芯片的研究

https://www.whchip.com/news/jhmlsfy.html

从微流控技术到微流控芯片

https://www.atantares.com/f15f43bfae/

超详细！微流控芯片在IVD领域应用现状、关键技术、未来发展趋势大盘点！

https://m.innomd.org/article/61921e0a23ce964424cfd4a8

维基百科：聚合酶链式反应

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

技术帖：深度分享国内首家微流控芯片核酸分析技术

https://www.iivd.net/article-27818-1.html

微流控芯片的主要应用、发展方向和未来挑战

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术之光刻技术

https://mp.weixin.qq.com/s/lVRQVRc5Te-222lIoOmdJQ

PDMS微流控芯片的制作流程及其应用

http://www.techusci.com/?thread-104-1.html

本文来自微信公众号：与非网eefocus （ID：ee-focus），作者：刘浩然