邊孟孟, 張 云, 袁亞利

(桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

1 引言

微流控是一種流體處理技術(shù)，利用尺寸為幾十到幾百微米的通道來處理或操縱微量(10-9～10-18L)流體[1]。微流控技術(shù)很早就已經(jīng)應(yīng)用于分析化學(xué)中，它具有多種優(yōu)點，如使用極少量的樣品和試劑，以高分辨率和高靈敏度進(jìn)行分離檢測，低成本，分析時間短[2]等。微流控最為明顯的特征之一是微尺度環(huán)境下具有獨特的流體性質(zhì)，如層流和液滴等。這種特有的流體現(xiàn)象使微流控配備了在空間和時間尺度上控制單分子的基本功能。

微流控芯片是微流控技術(shù)實現(xiàn)的主要平臺，具有將生物、化學(xué)等實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米芯片上的能力，因此又被稱為芯片實驗室(Lab on a Chip，LOC)。現(xiàn)階段，主流形式的微流控芯片多由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以實現(xiàn)常規(guī)化學(xué)和生物等實驗室的各種功能。微流控芯片的最基本特征和最大優(yōu)勢是多種單元技術(shù)在微小可控平臺上靈活組合和規(guī)模集成[3 - 4]。微流控芯片一般具有液體可控、消耗樣品少、操作簡單的特點，可在幾分鐘甚至更短時間之內(nèi)進(jìn)行上百種樣品同時分析，并且可以實現(xiàn)在線樣品預(yù)處理以及分析全過程。目前，微流控技術(shù)兩個重要應(yīng)用方向是臨床診斷儀器和體外仿生模型[5]?？傮w而言，微流控技術(shù)目前以生命科學(xué)為主要應(yīng)用對象，在生物醫(yī)學(xué)[6]、細(xì)胞生物學(xué)[7]、單細(xì)胞分析[8]、生物傳感[9]、分離科學(xué)[10]、化學(xué)合成[11]和高通量藥物篩選[12]等方面均有涉及，是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis System,μTAS)領(lǐng)域的重點發(fā)展對象。

根據(jù)定義，生物傳感器是一個獨立的集成系統(tǒng)[13]，它通過使用生物感應(yīng)元件(也稱為生物識別元件)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)元件[14]，選擇性和定量地檢測生物學(xué)上與生命相關(guān)的分析物，如DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、外泌體等[15]，以及離子溶解氣體、藥物和毒素等。當(dāng)生物感應(yīng)元件識別特定分析物時，換能器元件通過將生物識別期間產(chǎn)生的物理或化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成可測量的信號來提供關(guān)于分析物的定量或半定量信息。生物傳感器在國民經(jīng)濟(jì)的各個部門如食品、制藥、環(huán)境、化工、醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。隨著生命科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的推動，可以預(yù)測未來生物傳感器將會具有功能多樣化、智能集成化、深度產(chǎn)業(yè)化等特點。

對于常規(guī)的生物或化學(xué)實驗來說，檢測都是其不可或缺的一步。以微流控生物芯片為平臺進(jìn)行的各種化學(xué)、生物反應(yīng)和分離等通常都發(fā)生在微米量級尺寸的微結(jié)構(gòu)中，這與傳統(tǒng)意義上的類似操作有很大差別。為此，對于芯片上檢測器的要求更為苛刻。根據(jù)檢測方式的不同，微芯片上檢測器一般可分為四大類，即光學(xué)檢測器、電化學(xué)檢測器、色譜檢測器和其他聯(lián)用檢測器等。本文將以電化學(xué)檢測為主，結(jié)合微流控生物傳感進(jìn)行介紹。電化學(xué)檢測是通過將溶液中的待測物產(chǎn)生的化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆詫崿F(xiàn)對待測組分檢測的一種方法。電化學(xué)檢測的主要優(yōu)勢是靈敏度高、選擇性好、體積小、裝置簡單、成本低廉，且因其優(yōu)異的兼容性，適合微型化和集成化。

近年來，基于微流控的電化學(xué)生物傳感器已經(jīng)被開發(fā)用于快速、靈敏和選擇性檢測細(xì)胞代謝物[16]、DNA雜交[17]、毒素[18]、激素[19]等。在傳感系統(tǒng)中引入具有不同功能和結(jié)構(gòu)的納米材料，能夠促進(jìn)該技術(shù)在不同基質(zhì)中檢測病原體[20]以實現(xiàn)預(yù)防威脅性疾病，如霍亂毒素[21]、H1N1/H5N1/H7N9病毒[22]的目標(biāo)。在面向即時診斷的生物傳感領(lǐng)域，微流控電化學(xué)生物傳感平臺的應(yīng)用幾率普遍增加，有助于研究者找到即時檢測(Point of Care Test，POCT)設(shè)備的研究發(fā)展方向。

2 基于微流控的電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用

具有生物傳感能力的微流控芯片，結(jié)合電化學(xué)檢測，在涉及即時檢測的領(lǐng)域有重要應(yīng)用。微流控芯片能承載多種單元技術(shù)并將其靈活組合，多個傳感器和傳感區(qū)域結(jié)合在微流控芯片以增強(qiáng)其作用。因此，理想的芯片生物傳感器具有成本低，集成度高，快速且靈敏的優(yōu)點。目前，微流控平臺可以分為這幾類：連續(xù)流和液滴流通道微流控(圖1(a)和1(b))，數(shù)字微流控(圖1(c))以及紙基微流控(圖1(d))。本綜述將重點介紹這幾類微流控電化學(xué)生物傳感器在近些年的相關(guān)應(yīng)用。

圖1 不同類型的微流控平臺。(a)連續(xù)流動通道微流控平臺，通常在玻璃或塑料基質(zhì)上構(gòu)建PDMS的微通道，其中混合溶液(試劑1和2)從一側(cè)的入口進(jìn)入，并且從另一側(cè)的出口收集反應(yīng)產(chǎn)物；(b)液滴通道微流體系統(tǒng)，其中液滴(水)在不混溶的載液(油)中產(chǎn)生[22]；(c)數(shù)字微流控平臺，由紙或玻璃基板上的電極陣列構(gòu)成，其中離散的液滴可以通過電極的有序致動而移動，混合，分裂和分配；(d)紙基微流控平臺，包括通過在紙基上打印疏水區(qū)域形成的親水通道，其中液體通過毛細(xì)管作用在親水通道中流動[23]Fig.1 Schematics showing different types microfluidic platforms:(a) continuous flow channel microfluidic platform,usually built on glass or plastic substrate using PDMS based microchannels,where miscible liquids(reagent 1 and 2) enter from inlets on side and the resulting product is collected from an outlet on the other side of the platform.(b) Droplet flow channel microfluidic system,where droplets(water) are generated in an immiscible carrier liquid(oil).The size,shape,frequency,speed can be tuned using various parameters[22].(c) Digital microfluidic platforms comprising array of electrodes on paper or glass substrate,where discrete liquid droplets can move,mix,split and dispense by sequential actuation of electrodes.(d) Paper-based microfluidic platform comprising hydrophilic channels formed by printing hydrophobic barriers on paper substrate,where liquid flows in hydrophilic channels through capillary action[23]

2.1 通道微流控電化學(xué)生物傳感

通道微流控先作為化學(xué)分離的工具出現(xiàn)，之后與芯片技術(shù)結(jié)合以制造小型化設(shè)備。通道微流控涉及封閉通道，通過氣動壓力或電場力來驅(qū)動液體。它的單元形式包括通道、閥門、混合器和微泵。通道微流控可分為連續(xù)流動(圖1(a))和液滴流動(圖1(b))[23]。連續(xù)流體微流控芯片可以精確處理納米級的樣品體積(如蛋白質(zhì)、DNA、細(xì)胞等)，因此它在化學(xué)和生物分離[21]、微反應(yīng)器[22]、μ-TAS[23]中可以完成從樣品預(yù)處理到檢測的整個分析過程。例如，Noh等[24]設(shè)計了利用連續(xù)流體微流控通道裝置與新型電化學(xué)生物傳感器相結(jié)合用以檢測痕量鄰苯二甲酸酯(PE)的分析平臺，所提出的方法用于研究內(nèi)分泌干擾物對哺乳動物腎細(xì)胞的影響。液滴微流控芯片利用兩種互不相溶的液體(如水相和油相)，將其中的一種作為連續(xù)相，另一種作為分散相，分散相以微小體積單元(10-15～10-9L)的形式分散于連續(xù)相中，形成液滴在通道內(nèi)流動[25 - 26]。這種液滴微流控能夠模擬單個細(xì)胞的環(huán)境，從而進(jìn)行生物和化學(xué)反應(yīng)，具有高通量篩選和敏感生物測定的主要優(yōu)點，如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)技術(shù)[27]。

微通道形式為電化學(xué)生物傳感提供了許多分析優(yōu)點，包括高通量，集成度好，持續(xù)性久，便攜性和分析時間短等。例如，Zribi等[28]將修飾了二茂鐵的碳納米管(碳納米管(CNTs)/二茂鐵)作為氧化還原標(biāo)記的生物傳感器集成在電化學(xué)微流控多路聯(lián)用平臺上(圖2)，用于直接檢測病原性病毒DNA(來自臨床分離的結(jié)核分枝桿菌的丙型肝炎和基因組DNA)，使該微流控電化學(xué)生物傳感器的檢測限極大降低(0.1 fmol/L到1 pmol/L)。Berdat等[29]報道了在微流體通道中使用交叉陣列電極檢測1 nmol/L DNA，即將DNA探針固定在交叉狀電極之間，與互補(bǔ)的目標(biāo)DNA鏈雜交導(dǎo)致電阻增加，然后通過交流阻抗(EIS)測量對應(yīng)的電荷轉(zhuǎn)移來計算電阻，進(jìn)而得到目標(biāo)物的量化信息。

圖2 (a)整合了三個通道的PDMS/玻璃POC裝置。(1)用于陰性對照的通道，(2)用于檢測DNA的通道，(3)錯配DNA的檢測通道；(b)基于改性二茂鐵作為氧化還原標(biāo)記用于制備生物傳感器的化學(xué)反應(yīng)過程(步驟1,2和3)示意圖，最終雜交之前每個步驟在流體芯片的通道內(nèi)完成(步驟4)[29]Fig.2 (a) The PDMS/glass point-of-care device that integrates three channels:(1) Channel for negative control (2) Channel for DNA detection (3) Channel for mismatch DNA detection.(b) Schematic illustration of the chemical patterning(steps 1,2,and 3) for the preparation of the biosensor based on modified ferrocene,as redox marker.Each step is done inside each channel of the fluidic chip before the final hybridization(step 4)[29]

由于微流控通道具有結(jié)構(gòu)多樣性，因此可以容納細(xì)胞培養(yǎng)物對細(xì)胞進(jìn)行芯片內(nèi)的培養(yǎng)，在線分析其分泌物。例如，在微流控體系中結(jié)合電化學(xué)檢測手段可以探究在使用辣根過氧化物酶(HRP)時細(xì)胞活動產(chǎn)生的H2O2[30]。Yan等[31]設(shè)計了集成的微尺寸Au電極陣列，通過光刻蝕聚乙二醇(PEG)水凝膠形成特定圖案，可將HRP分子固定在Au電極上，并控制細(xì)胞附著在檢測電極的鄰近區(qū)域，以檢測在微流控芯片中培養(yǎng)的活化巨噬細(xì)胞釋放的H2O2。Matharu等[32]通過研究在芯片中培養(yǎng)的肝細(xì)胞產(chǎn)生的電活性氧化物來探索乙醇和抗氧化劑對肝細(xì)胞的影響。實時測量細(xì)胞分泌物濃度可為細(xì)胞培養(yǎng)研究提供相關(guān)重要信息，因此，一些研究小組開發(fā)了多種方法來檢測細(xì)胞分泌的信號分子，包括腫瘤壞死因子-α[33],干擾素-γ[34]和轉(zhuǎn)化生長因子-β[35]。Shin等[36]報道了一種新型無標(biāo)記的微流控電化學(xué)生物傳感器(圖3)，具有獨特的內(nèi)置芯片再生能力，以全自動方式連續(xù)測量來自器官培養(yǎng)物細(xì)胞分泌的可溶性生物標(biāo)志物，同時具備較高的傳感器靈敏度。該芯片平臺持續(xù)監(jiān)測細(xì)胞的代謝活性可達(dá)7 d，其結(jié)果與細(xì)胞活力和酶聯(lián)免疫吸附測定分析結(jié)果非常一致，從而驗證了這種獨特傳感平臺的準(zhǔn)確性。該芯片有13個半圓柱形狀的入口微通道(紅線)及其對應(yīng)的控制微型閥(綠線)，用于操控所需試劑和樣品的注入，微電極則結(jié)合在流動通道的末端(圖3a～c)。半圓形流體通道設(shè)計實現(xiàn)了控制微閥層對微流控通道的開通與關(guān)閉(圖3d)，并以程序控制N2氣動微閥實現(xiàn)自動化。微型閥和試劑儲存器由WAGO控制器控制，編寫自定義的MATLAB代碼。通過微流控通道和檢測器的液體流動的圖像如圖3e所示，電化學(xué)反應(yīng)腔室中，在液體樣品(紅色)到達(dá)該區(qū)域后，逐漸被另一種液體(藍(lán)色)替換，其整個過程需要約5 s(圖3f)，每個通道的流速隨著通道內(nèi)壓力的升高而增加(圖3g)。

圖3 自動化微流控電化學(xué)生物傳感器的設(shè)計、制造和控制。(a)與微電極組合的EC微流體芯片的照片；(b)使用相應(yīng)的溶液標(biāo)記微流體通道和閥門，實現(xiàn)全自動生物傳感測量；(c)三層微流體芯片由流體通道層，薄膜和微閥通道層組成；(d)圖示的工作原理是通過氣體壓力推動薄膜來打開和關(guān)閉微流體通道；(e)微流控EC芯片顯示在打開和關(guān)閉閥門時PBS和檢測室的主通道中的顏色隨時間變化圖；(f)以食品染料驗證改變電極區(qū)域的化學(xué)物質(zhì)所需的時間；(g)在不同氣體壓力下測量不同通道的流量(n=3)[36]Fig.3 Design,fabrication,and control of the automated microfluidic EC biosensor.(a) Photograph of the EC microfluidic chip bonded with microelectrode.(b) Labeling of the microfluidic channels and the valves with corresponding flowing solutions for fully automated biosensing measurements.(c) Three-layered microfluidic chip consisted of microfluidic channel,thin membrane,and valve channel layer.(d) Schematically represented working principle to open and close the microfluidic channel by the push-down thin membrane according to gas pressure.(e) Time-lapsed picture of microfludic EC chip showing the color changes in the main channel for PBS and detection chamber upon opening and closing of the valves.(f) Time required for changing the chemicals at the electrode area demonstrated by using food dyes.(g) Measured flow rates at different channels under various gas pressures(n= 3)[36]

2.2 數(shù)字微流控(Digital microfluidics,DMF)電化學(xué)生物傳感

與通道液滴相似的還有一種可以在平面上運動，以離散(單個)控制為基礎(chǔ)的數(shù)字液滴技術(shù)，其中在平面上對樣品以離散液滴進(jìn)行操縱[37 - 40](圖1(c))。數(shù)字微流控技術(shù)的實現(xiàn)依賴于液滴表面的電潤濕現(xiàn)象，通過向芯片電極施加電壓改變介電質(zhì)層的固液表面張力，實現(xiàn)液滴的產(chǎn)生、輸運和分裂等一系列操作[41]。數(shù)字液滴可以通過電子線路直接操作，顯示了正在興起的微流控芯片和已經(jīng)成熟的電子芯片深度對接的可能。DMF電化學(xué)生物傳感器特別適用于涉及固體的應(yīng)用，例如組織[42]、干血[43]、水凝膠[44]、切塊[45]，這是DMF的顯著優(yōu)勢。事實上，基于DMF實驗室芯片的開發(fā)，展示了最先進(jìn)的數(shù)字微流控技術(shù)在未來的LOC中進(jìn)行全自動在線生物分析的前景，可成功執(zhí)行芯片上生物醫(yī)學(xué)體外診斷測定[46]。另外，利用磁力來控制磁性粒子并結(jié)合靜電控制液滴位置的策略，成為實施免疫測定的有力方法[47 - 51]。

DMF同樣是一種用于復(fù)雜生物樣品測定的強(qiáng)大微流控技術(shù)。Wheeler團(tuán)隊[52 - 54]開發(fā)了一種基于無油磁粉檢測風(fēng)疹(RV)的免疫分析方法，該方案構(gòu)建了一個噴墨印刷的DMF裝置，并帶有電動磁鐵的自動化控制系統(tǒng)。圖4(a)展示了在此DMF芯片上操作磁性顆粒所涉及的主要步驟：(i)分散顆粒懸浮液；(ii)通過接通磁場固定顆粒并去除上清液；(iii)將顆粒與試劑混合；(iv)將顆粒從反應(yīng)液中分離并檢測最終產(chǎn)物。同一研究小組還將電化學(xué)和電化學(xué)發(fā)光檢測器整合到DMF芯片中以檢測疾病生物標(biāo)志物[55 - 56]，如圖4(b)所示的雙表面檢測策略實現(xiàn)對甲狀腺刺激激素(TSH)的檢測[54]。在該方案中，基于酶聯(lián)免疫分析(ELISA)，對芯片中心的磁性顆粒表面進(jìn)行測定，同時在位于DMF兩側(cè)的感應(yīng)電極表面上檢測電活性最終產(chǎn)物。這種芯片設(shè)計配備多重檢測系統(tǒng)，可同時測量4個樣品。

之后，Wheeler團(tuán)隊在類似的磁性粒子的分析方法中，通過電化學(xué)發(fā)光(ECL)檢測miRNA以區(qū)分乳腺癌表型。在ECL中，[Ru(Phen)3]2+和分析物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，在電極表面形成激發(fā)態(tài)并產(chǎn)生光輻射，利用光檢測器捕獲光子并經(jīng)過計算機(jī)處理得到電化學(xué)發(fā)光信號(圖4(c))。此外，Wheeler團(tuán)隊又將金納米結(jié)構(gòu)(圖4(d))建立在電極表面上，以增強(qiáng)伏安響應(yīng)的靈敏度，通過風(fēng)疹病毒免疫測定證明該方法的可行性。這種方法的靈敏度低于世界衛(wèi)生組織定義的風(fēng)疹免疫值100倍以上，檢測限為0.07 IU/mL[55]。

圖4 數(shù)字微流控芯片上基于磁珠的生物檢測。(a)進(jìn)行基于磁珠的生物檢測所涉及的基本步驟：(i)分散功能化磁珠，(ii)通過芯片下方接合的磁體，將上清液與磁珠分離，(iii)將磁珠再與試劑混合，(iv)在方案的最后，與磁珠分離后，操縱最終產(chǎn)物液滴向檢測器轉(zhuǎn)移(在這種情況下是電極)[53]；(b)以功能化磁珠進(jìn)行數(shù)字微流控電化學(xué)免疫測定，其中液滴中的電活性產(chǎn)物(TMB+)被分離至電極感應(yīng)區(qū)域；(c)磁珠表面DNA探針與目標(biāo)miRNA雜交形成雙鏈，[Ru(Phen)3]2+可插入該雜交雙鏈，在特定電壓下通過電化學(xué)發(fā)光(ECL)檢測DMF上的miRNA[55]；(d)ITO基底上的納米結(jié)構(gòu)微電極，以增強(qiáng)DMF芯片對電化學(xué)免疫測定的靈敏度[55]Fig.4 Magnetic particle based bioassays on digital microfluidic chip.(a) Typical steps involved in performing magnetic bead based bioassay:(i) dispensing of functionalized magnetic particles,(ii) separation of supernatant solution from magnetic particles by engaging magnet beneath the chip,(iii) mixing of particles with reagents,and(iv) moving final product towards detector(in this case electrodes) after separating from beads at the end of protocol[53]；(b) Digital microfluidic electrochemical immunoassay performed over functionalized magnetic beads,where the electroactive end product(TMB+) in the droplet is separated and placed at the electrode sensing area.(c) Detection of miRNA on DMF by electrochemiluminescence(ECL) using DNA probe functionalized beads hybridized with target miRNA followed by intercalation of luminophore [Ru(Phen)3]2+ which emits light under electrical potential[55](d) Nanostructured microelectrodes on ITO top-plate to enhance sensitivity of electrochemical immunoassay on DMF chip [55]

2.3 紙基微流控電化學(xué)生物傳感

紙基微流控出現(xiàn)的時間較短，2007年哈佛大學(xué)的Whitesides研究小組首次提出這一概念，基于液體樣品橫向流動通過紙基而被動地被吸收(或“泵送”)，成功地制作出同時檢測蛋白質(zhì)和葡萄糖的紙基檢測平臺[57]，于是這種體系也發(fā)展為“微流控”體系中的一種(圖1(d))。文獻(xiàn)報道的紙基微流控材料有濾紙、層析紙、硝酸纖維素膜等，制作方法涉及光刻法[58]、噴墨打印法[59]、浸蠟法[60]、柔性版印刷[61]等。國內(nèi)開展紙基微流控的研究團(tuán)隊也取得了較好的成果。陸瑤等[62]在國際上首次提出一種噴蠟打印的方法制作紙基微流控芯片，該方法包括打印和烘烤兩部分，可在十分鐘之內(nèi)完成，簡便、快速，從而使紙基芯片工業(yè)化生產(chǎn)成為可能。紙基微流控由于成本低、制造容易、靈活性高、可處理性強(qiáng)、液體輸送不受外部驅(qū)動力影響等特點成為研究熱點?；谶@些優(yōu)點，使用紙基微流控芯片進(jìn)行即時診斷(POCT)具有極大的潛力[63]。例如，Yao等[64]開發(fā)了一種新型的無標(biāo)記微流控紙基免疫傳感器，用于高靈敏度檢測癌胚抗原(CEA)，這種新型紙基微流控平臺可以為癌癥檢測中的低成本、特異性和定點診斷等需求提供實現(xiàn)的可能。Wang等[65]開發(fā)了一種無標(biāo)記的電化學(xué)綜合紙基免疫傳感分析裝置，該裝置能夠檢測出低至10 pg/mL的17β-雌二醇，這種微流控紙基免疫傳感器為17β-雌二醇的特異性和即時診斷提供了新的平臺。盡管取得了這些進(jìn)展，紙基微流控芯片在定量性能方面落后于其他類型的微流控技術(shù)，在選擇性、特異性、靈敏度和線性動態(tài)范圍方面還有待改進(jìn)[66]。

與紙基微流控結(jié)合的電化學(xué)生物傳感器進(jìn)一步具有微型化、便攜式、即時診斷的特點。Zhao等[67]開發(fā)了一種包含八個電化學(xué)生物傳感陣列的紙基微流控試劑盒，用于同時檢測尿液中的葡萄糖、乳酸和尿酸，并利用手持電化學(xué)儀(恒電位儀)進(jìn)行信號讀取。該裝置由加樣區(qū)和測試區(qū)上的絲網(wǎng)印刷電極組成，直接與恒電位儀集成。將多路復(fù)用電路添加到USB控制的恒電位儀上，以便在所有陣列測試點進(jìn)行檢測，檢測得到的葡萄糖檢測限低至0.35 mmol/L，而商用葡萄糖計的檢測限為0.83 mmol/L。該低成本裝置顯示出在臨床相關(guān)范圍內(nèi)對這三種分析物有足夠低的檢測限，并且分析性能可與現(xiàn)有商業(yè)紙質(zhì)平臺相媲美。之后，Lamas-Ardisana等[68]開發(fā)出一次性電化學(xué)紙基葡萄糖生物傳感器，用于5種商業(yè)軟飲料中的葡萄糖測定，分析樣品僅需10 μL，無需進(jìn)行任何樣品處理即可得到準(zhǔn)確結(jié)果，檢測限低至0.33 mmol/L，因此提供了大規(guī)模生產(chǎn)電化學(xué)紙基分析設(shè)備(Electrochemical Paper-based Analytical Devices，ePAD)的新方法。Kaur等[69]報道了另外一種紙基微流控電化學(xué)生物傳感裝置，用于即時檢測膽固醇。通過簡單的石墨掩模印刷得到工作電極以及對電極，以Ag/AgCl作為參比電極來構(gòu)造三電極系統(tǒng)。共沉淀法制備的氧化鎳納米顆粒對工作電極進(jìn)行改性，將膽固醇氧化酶滴加在測試區(qū)域上，最終借助快速計時電流法可靈敏檢測不同濃度的膽固醇。

3 微流控電化學(xué)生物傳感平臺的商業(yè)化

微流控電化學(xué)生物傳感是一種備受關(guān)注且具有巨大潛力的科學(xué)技術(shù)，具有便攜式和即時分析的特點。目前來講，微流控電化學(xué)生物傳感平臺最大的商業(yè)化領(lǐng)域還是在體外診斷(In Vitro Diagnosis，IVD)方面。IVD主要是基于體液(血液、尿液、唾液)，有三大類主流分析：生化分析，免疫診斷，分子診斷。國內(nèi)產(chǎn)品主要還是集中在生化分析和免疫診斷。IVD中做到POCT的最典型的代表為驗孕試紙、各種傳染類檢測試紙、毒品檢測試紙等，這些都已成功市場化。國外在生化免疫和分子診斷均有相對成熟的產(chǎn)品，其中不乏重量級代表產(chǎn)品，最著名的例子就是Abbott Point of Care i-STATs系統(tǒng)。位于安大略省渥太華的Abbott Point of Care制造工廠研發(fā)的個人血糖儀，每年大約生產(chǎn)5 000多萬個，全球價值接近100億美元[70]。如今，其他微流控電化學(xué)POCT產(chǎn)品也相繼開發(fā)出來，尚在調(diào)試階段，比如類似于手持墨盒用于診斷心臟疾病生物標(biāo)志物的裝置，經(jīng)濟(jì)高效的基于智能手機(jī)的可重構(gòu)電化學(xué)儀器，用于全血樣品中的酒精測定[71]，可以為醫(yī)療急救或執(zhí)法領(lǐng)域提供精確快速的測量點。還有基于電化學(xué)生物傳感的保健裝置也在推行，包括用于HIV診斷的儀器，稱為Daktari CD4[72]，以及用于電化學(xué)免疫測定和核酸測定的Gene Fluidics臺式系統(tǒng)[73]。對比國內(nèi)外商業(yè)化微流控產(chǎn)品，國外微流控產(chǎn)品雖然種類不多，但是均能產(chǎn)生翻倍的商業(yè)價值，這也從側(cè)面證明微流控技術(shù)具有顛覆性的替代作用。國內(nèi)微流控產(chǎn)品的商業(yè)化相對落后，就IVD醫(yī)療器械這方面，國內(nèi)醫(yī)療里的醫(yī)療器械與醫(yī)藥消費比還遠(yuǎn)低于美國這樣的醫(yī)療體系相對成熟的國家。隨著互聯(lián)網(wǎng)+的戰(zhàn)略計劃，國內(nèi)POCT將有很大的發(fā)展前景，而互聯(lián)網(wǎng)+POCT+家庭醫(yī)療和個體化健康管理、疾病預(yù)防控制、醫(yī)療管理等方面將會有井噴式發(fā)展機(jī)遇。

4 結(jié)論及展望

微流控電化學(xué)生物傳感技術(shù)為未來分析行業(yè)提供了很好的分析平臺，甚至是革命性的新功能。該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涉及環(huán)境檢測、食品科學(xué)、疾病診斷、藥物篩選等。在POCT應(yīng)用方面，將微流控集成到電化學(xué)生物傳感平臺對于便攜式系統(tǒng)是一個必不可少的重要趨勢[74]。這個趨勢包括:(1)發(fā)展多個微流控耦合的混合系統(tǒng)，著重于開發(fā)新型功能模塊及其操作性，低成本和高產(chǎn)量的制造靈敏且廉價的具有良好商業(yè)潛力的微流控生物傳感器；(2)使用智能檢測設(shè)備與電化學(xué)集成，如智能手機(jī)、微電子設(shè)備等，其主要優(yōu)點是可以與許多其他附件集成，例如微型相機(jī)，光學(xué)系統(tǒng)，電路，加密狗等，為其功能的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了巨大的可能性[75]。未來的方向應(yīng)是致力于將微流控芯片和電化學(xué)生物傳感結(jié)合起來，開發(fā)樣品量少、即時監(jiān)測、操作簡單、成本低廉的快速準(zhǔn)確的POCT診斷系統(tǒng)。目前，大多數(shù)基于微流控的電化學(xué)生物傳感系統(tǒng)仍處于實驗室標(biāo)準(zhǔn)測試階段，設(shè)計和集成中還需克服一些挑戰(zhàn)，因此技術(shù)轉(zhuǎn)讓和商業(yè)化仍有很長的路要走。但是，微流控電化學(xué)生物傳感作為一個新興領(lǐng)域，發(fā)展速度迅速且蘊(yùn)含宏觀的經(jīng)濟(jì)效益，將會是未來重點研究領(lǐng)域。