微流控芯片检测技术的工作过程（原理）是什么？

临床医师

是否取样、离心、裂解等一系列操作都能在芯片中完成？

原文地址：https://www.zhihu.com/question/372774060

清风寡欲

Tricontinent高精度OEM注射泵微流控芯片解决方案

微流控芯片技术是生物医学应用领域的新兴工具。微流控芯片包括一组刻在不同材料（玻璃、硅或聚合物，如聚二甲基硅氧烷或PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA）上的凹槽或微通道。形成微流控芯片的微通道相互连接以获得所需的结果。这种被困在微流控芯片中的微通道组织通过穿透芯片的输入和输出与外部相关联，作为宏观和微型世界之间的接口。在泵和芯片的帮助下，微流控芯片有助于确定微流体的行为变化。在芯片内部，有微流体通道，允许处理流体，例如混合和物理化学反应。微流控芯片具有许多兴趣点，包括更少的时间和试剂利用率，除此之外，它可以同时执行许多活动。随着表面积的增加，芯片的小型化尺寸使反应固定。它用于不同的生物医学应用，如食品安全传感、肽分析、组织工程、医学诊断、DNA 纯化、PCR 活性、妊娠和葡萄糖估计。
在泵和芯片的帮助下，微流控芯片有助于确定微流体的行为变化。
Tricontinent高精度OEM注射泵：

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• 紧凑设计
  

Tricontinent高精度OEM注射泵微流控芯片解决方案

清风寡欲

摘要：在微流控芯片进样、化学反应进样和长时间药物注射领域，都需要能提供正负气压可精密控制的压力控制器。本文特别针对微流控芯片进样对多通道压力控制器的技术要求，提出了相应的解决方案，并详细介绍了方案中多通道气路结构、控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和PID控制器等内容和技术指标。通过此解决方案，完全能够满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。

原文阅读：（PDF格式）
<hr/>一、背景介绍

在微流控芯片进样、化学反应进样和长时间药物注射领域，都需要能提供正负气压可精密控制的多通道压力控制器，并且通过气体压力来控制流体的流量或流速。图1所示为这种压力控制器在微流控芯片进样中的典型应用。



图1 多通道压力控制器在微流控芯片进样中的典型应用

在微流控芯片进样中，要求压力控制器需具备以下几方面的功能：
（1）多通道，每个通道可独立控制和操作。
（2）每个通道都可按照编程设定输出相应的正负压力。
（3）正负压力控制范围：绝对压力1Pa~0.5MPa（表压-101kPa~0.6MPa）。
（4）压力控制精度：0.1%~1%。
针对上述微流控芯片进样对压力控制器要求，本文提出了相应的解决方案，并详细介绍了方案中多通道气路结构、控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和PID控制器等内容和技术指标。通过此解决方案，完全能够满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。
二、解决方案

本文所提出的解决方案是实现在1Pa~0.7MPa绝对压力范围内的精密控制，控制精度极限可达到0.1%。即提供一个可控气压源解决方案，采用双向控制模式的动态平衡法，结合高精度步进电机和微小流量电动针阀、高精度压力传感器和多通道PID控制器，气压源可进行高精度的各种真空压力的可编程输出，同时也可用于控制不同的流体流量。
本文所涉及的解决方案，主要针对用于微流控芯片进样用多通道正负压力控制器，这主要是因为微流控芯片所用压力基本在一个标准大气压附近变化，相应的多通道压力控制器相对比较简单。而对于更低压力，如气压小于1kPa绝对压力的多通道控制，要实现精密控制则整个压力控制器将十分复杂。微流控芯片进样用多通道压力控制器工作原理如图2所示。



图2 微流控芯片进样用多通道压力控制器工作原理图

微流控芯片进样用多通道压力控制器的工作原理为：
（1）多通道压力控制包括多个控制通道，每个控制通道包括正压气源、进气调节阀、出气调节阀、抽气泵和PID控制器单元。其中的正压气源和抽气泵提供足够的负压和正压能力，并且可以多通道公用。同样，多通道压力控制器也公用一个进气调节阀。需要注意的是，由于微流控进样所需的负压气压值较大并接近一个标准大气压，对于微流控芯片进样的压力控制，只需固定进气调节阀的开度，近靠调节出气阀开度极可实现正负压的精密控制，因此可以公用一个进气调节阀。如果要进行较低负压气压值（较高真空度）的精密控制，配置恰恰相反，每一通道配置的进气阀进行调节，但可以公用一个抽气阀。
（2）精密压力控制原理基于密闭空腔进气和出气的动态平衡法。多通道压力控制器的每一个通道都是典型闭环控制回路，其中PID控制器的每一通道采集相应通道的真空压力传感器信号并与此通道的设定值进行比较，然后调节相应通道的进气和抽气调节阀开度，最终使此通道传感器测量值与设定值相等而实现该通道真空压力的准确控制。
（3）为了覆盖负压到正压的所要求的真空压力范围，需要配置一个测试量程覆盖要求范围内的高精度绝对压力传感器，如果一个压力传感器无法覆盖全量程，则需要增加压力传感器数量来分段覆盖。采用绝对压力传感器的优势是不受各地大气气压变化的影响，无需采取气压修正，更能保证测试的准确性和重复性。
（4）绝对压力传感器对应所覆盖的真空压力范围输出数值从小到大变化的直流模拟信号（如0~10VDC）。此模拟信号输入给PID控制器，由PID控制器调节进气阀和排气阀的开度而实现压力精确控制。
（5）当控制是从负压到正压进行变化时，一开始的进气调节阀开度（进气流量）要远小于抽气调节阀开度（抽气流量），通过自动调节进出气流量达到不同的平衡状态来实现不同的负压控制，最终进气调节阀开度逐渐要远大于抽气调节阀开度，由此实现负压到正压范围内一系列设定点或斜线的连续精密控制。对于从正压到负压压的变化控制，上述过程正好相反。
三、方案具体内容

解决方案中所涉及的正负压力控制器的具体结构如图3所示，主要包括正压气源、电动针阀、密闭空腔、压力传感器、高精度PID控制器和抽气泵。



图3 微流控芯片进样用多通道正负压力控制器结构示意图

在图3所示的正负压力控制器中，每个通道都对应一密闭空腔，每个密闭空腔上的外接接口作为此通道的压力输出口。密闭空腔左右安装两个NCNV系列的步进电机驱动的微型电动针阀，电动针阀本身就是正负压两用调节阀，其绝对真空压力范围为0.0001mbar~7bar，最大流量为40mL/min，步进电机单步长为12.7微米，完全能满足小空腔的正负压精密控制。由此，压力控制器中的每个通道可实现正负压任意设定点的精确控制，也可以从正压到负压的压力线性变化控制，也可以从负压到正压的压力线性变化控制。
微流控芯片进样过程中一般要求微小正负压控制，要求是在标准大气压附近的真空压力精确控制，如控制精度为±0.5%甚至更小，一般都需要采用调节抽气阀的双向动态模式，即通过控制器使得进气口处电动针阀的开度基本不变，同时根据PID算法来调节排气口处的电动针阀开度。由于进气阀的开度基本处于固定状态，使得微流控芯片进样所用的多通道压力控制器可以公用一个调节进气流量的电动针阀。另外，所有通道都需要具备抽气功能，抽速也是一固定值，因此多通道压力控制器也可以公用一个抽气泵。
在微流控芯片进样过程中压力控制，除了上述恒定进气流量调节抽气流量的控制方法之外，决定压力控制精度的因素还有压力传感器、PID控制器和电动针阀的精度。本方案中的PID控制器采用的是24位AD和16位的DA，电动针阀则是高精度步进电机，因此本解决方案的测试精度主要取决于压力传感器精度，一般至少要选择0.1%精度的压力传感器。
在微流控芯片进样过程中，往往会要求密闭容器在正负压范围内进行多次往复变化和按照设定曲线进行控制，因此本方案采用了可存储多个编辑程序的PID控制器，每个设定程度是一条多个折线段构成的曲线，由此可实现正负压往复变化的自动程序控制。
在本文所述的解决方案中，为实现正负压的精密控制，如图3所示，针对负压的形成配置了抽气泵。抽气泵相当于一个负压源，但采用真空发生器同样可以达到负压源的效果，负压源采用真空发生器的优点是整个系统只需配备一个正压气源，减少了整个系统的造价、体积和重量，真空发生器连接正压气源即可达到相同的抽气效果。
四、总结

本文所述解决方案，完全可以实现微流控芯片进样系统中压力的任意设定点和连续程序形式的精密控制，并且可以达到很高的控制精度和速度，全程自动化。
本方案除了自动精密控制之外，另外一个特点是系统简单，正负压控制范围也可以比较宽泛，整个系统小巧和集成化，便于形成小型化的检测仪器。
本文解决方案的技术成熟度很高，方案中所涉及的电动针阀和PID控制器，都是目前特有的标准产品，其他的压力传感器、抽气泵、真空发生器和正压气源等也是目前市场上常见的标准产品。
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清风寡欲

1.ALI/20 微流控芯片对准键合仪主要用途和主要性能指标

1.1 ALI/20 微流控芯片对准键合仪主要用途

ALI/20 对准键合仪主要用于对 PDMS、PMMA、硅、玻璃等材质之间的相互对准。设备采用先进的机械移动平台，样片可在 XYZ 三维以及水平旋转四个方向进行位置调节，采用高分辨率显微放大CCD，可同时双视野观察，最大程度满足客户对结构对准精度的需求。工作台所有部件采用铝制材料及高精度机械设备加工而成，最大程度降低了产品自身的误差，是解决多种微结构对准贴合的好帮手。尤其适用于上下层均带有结构的PDMS和玻璃微流控芯片对准。
1.2 ALI/20 微流控芯片对准键合仪主要技术参数

(1) 适应对准的样品材质： PDMS、PMMA、硅、玻璃等。
(2) 对准精度：±5um
(3) 最大对准间隙：≥0.5mm
(4) 对准间隙设定精度：10um
(5) 适应对准的样品尺寸：10mm×10mm ~ 75mm×75mm
(6) 适应样品最大厚度：15mm
(7) 对准调节行程：X：±8mm Y：±8mm Z：20mm Θ：±5°
(8) 对准灵敏度：X：0.1um Y：0.1um Z：1um Θ：0.005°
(9) 对准采用双视场对准显微镜：通过 CCD+显示器对准，光学合像，光学+电子放大
(10) 对准吸盘可拓展，用于不同尺寸的样品，标准样品可快速对准；吸盘载物台非常形状可定制不同尺寸。
2.ALI/20 微流控芯片对准键合仪外观及组件

对准键合仪的主要组件，如图2.1和图2.2所示：
显示器（可同时显示左、右CCD界面）、CCD+显微镜（左、右各一套）、显微镜调节旋钮（左、右各一套）、对准工作台（可 XYZΘ 调节）、载片台（上、下各一个，均带真空吸附功能）、显微镜光强调节器（未示出）、真空泵（未示出）、电源线等。




图 2.1 对准键合仪功能部件




图2.2 对准键合仪载片台



3. ALI/20 微流控芯片对准键合仪操作流程及对准效果

为了方便客户理解对准键合仪的使用方法，现举例说明：两片带有结构的PDMS芯片（结构如图1所示）的对准操作步骤。若是要求的对准精度高，建议客户采用对准标记对准，将对准标记分别加工在芯片上下层。客户可根据自身的对准目的及操作的熟练程度，归纳适合、高效的对准流程。

清风寡欲

一、 引言：


你可能不知道：生活习惯上，尿路感染更钟爱久坐、爱憋尿的人。如今尿路感染大部分人的选择都是去医院验尿，今给大家介绍个好玩的POCT设备。
二 、背景知识介绍：
1、POCT背景知识
Point-of-care testing (POCT)被称为即时检验或床旁检测，其定义为在护理点或附近的医疗诊断检测。与之相对的是医学中心实验室检验（检验科），实际上医院大部分的样本都是通过中心实验检测的，从病人护理点即采血点收集标本，送到医学中心实验室检测，再将结果反馈到病人医生，整个过程需要等待数小时或数天。而POCT无需通过中心实验室进行，直接在病人护理点采集样本，测试，中间省去一大部分的时间。
2、尿路感染背景知识
尿路感染是尿路上皮对细菌侵入导致的炎症反应，通常伴随有菌尿和脓尿。尿路感染根据感染部位分为上尿路感染和下尿路感染；
如果多次反复，那么我们也可以根据两次感染之间的关系可分为孤立或散发性感染和复发性感染，后者又可分为再感染和细菌持续存在，细菌持续存在也称为复发，在这种情况下就非常需要现场即时检测设备来完成细菌的定性与定量工作啦。
尿路感染常多发于久坐、爱憋尿的人。男女性对比发现：女性，尤其多发于性生活活跃期及绝经后女性更容易感染。尿路感染95%以上是由单一细菌引起的。其中90%的门诊病人和50%左右的住院病人，其病原菌是大肠埃希杆菌，此菌血清分型可达140种，致尿感型大肠埃希杆菌与病人粪便中分离出来的大肠埃希杆菌属同一种菌型，多见于无症状菌尿或无并发症的尿感。病毒、支原体感染虽属少见，近年来有逐渐增多趋向。多种细菌感染见于留置导尿管、神经源性膀胱、结石、先天性畸形和阴道，肠道、尿道瘘等。
为了找到尿路感染的具体原因，可以通过之前文章介绍的PCR或者LAMP技术来找到感染的根源所在。今天结合一篇POCT文章来帮我们快速找到病源所在。
二、 论文分析
韩国科研人员曾提出了一种离心式，受到玩具手指陀螺启发的微流控芯片，该芯片能够完成从尿液中提取细菌，然后借助指尖离心力驱动，把整个样品的处理过程都可快速的手动完成。该论文名为“A fidget spinner for the point-of-care diagnosis of urinary tract infection”发表在nature biomedical engineering。文章摘要如下图所示：




与传统的方法对比，人们再也不需要去医院或者寄送样品完成检测啦，大家可以直接在家里或者学校来完成检测。该方法快速，便利。传统方法和该方法（DX-FS小于1小时）的检测流程对比如下图所示：




对于传统检测方法，新方法的检测不光节省时间，更重要的在于，检测过程好玩，有趣。整个设备的核心就在于通过离心力将尿液中的细菌在滤膜上进行富集，从而使细菌浓度能达到检测试剂的工作浓度要求范围，从而省去了漫长的细菌培养环节。检测的过程总结为三步：样品添加、旋转、添加检测溶剂，检测细菌。具体的流程图如下图所示：




为了满足要求，作者设计了一款基于离心力的微流控芯片。该芯片内部结构如图所示：



  每个模块的区域功能如上图标注，分别是 ：
1、加样口
2、样品腔体

3、过滤膜

4、收集腔

5、吸水盘

6、排气，通风孔

7、指尖旋转轴承


为了过滤细菌，滤膜选择孔隙 0.45 um的硝酸纤维素膜用于过滤细菌细胞。我们需要知道，每个操作者手动驱动芯片旋转力度不同，那就存在芯片中驱动流体运动的离心力也存在差异。
当该芯片旋转时，样品腔体中的样品（如下图中红色部分）。从左到右(图ii中)借助离心力推动流体通过膜 (图i新流入的区域)。当装置缓慢旋转或停止时，吸水盘会去除残留的液体，从而防止样品通过排气孔泄漏 (iii)。




只有考虑到人员操作的差异还能保证实验的准确性，才是真正好用的POCT产品。本文对19-45 岁龄段人群做了测试来表征这种差异对过滤 1ml 样本的影响。
​具体的统计数据是：让10 个操作员在 62 次测量中得到旋转角速度范围为 90-300 rad/s 。采集到的10个人员的数据如下图所示​：




由于操作员之间和试验期间的旋转速度存在差异。
常规离心过滤1ml 样品需超过12 次手动旋转。通过目视检查过滤腔来确认过滤过程是否完成，本文结合 FAST 的 Dx-FS 仅需 1-2 次手动旋转即可实现等体积样本过滤 (1-3 min)。
10个操作者旋转数据对比如下：




芯片的检测结果：​通过不同的颜色深度就可得到不同的细菌浓度，本文对不同浓度的大肠杆菌分别溶于水和溶于尿液中，来对该生物芯片进行测量校准。如下图所示，左侧为颜色浓度对比图，右侧为比色法强度和浓度的对比图​：





总结：作者成功建立了一个设备借助指尖陀螺式的结构设计，通过高速旋转产生的离心力对尿液完成膜过滤进而起到富集微生物的作用，极大缩短了尿路感染的诊断时间。除了节省时间，其造价低廉，无需耗电，非常适合当场即时诊断。
参考文献：
1、A fidget spinner for the point-of-care diagnosis of urinary tract infection

2、百度百科及相关报道

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卡卡

微流控技术的诞生，是研发人员对自动化和高效率不懈追求的结果。
微流控的“微”是指实验仪器设备的微型化，“流”是指实验对象属于流体，“控”代表着在微型设备上对流体的控制、操作和处理。微流控技术属于一种底层技术，交织化学、流体物理、微电子、新材料等多门学科知识。
微流控芯片是微流控技术的下游应用单元，通过微型电子机械系统（MEMS）技术，在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，快速、准确地实现对蛋白质、核酸以及其他特定目标对象的处理和检测。它将原本需要在实验室进行的样品处理、生化反应和结果检测等关键步骤汇聚在一张微小芯片上进行，被业界誉为“芯片实验室”。
微流控芯片具有强大的集成性，能够同时并行处理大量不同样本，具备分析快、耗能少、污染低等特性，因此被广泛应用在生物医学研究、药物合成筛选、司法鉴定等多个领域。
聚焦体外诊断领域
目前，微流控技术主要用于体外诊断（IVD）、细胞捕获及细胞计数等，其中，体外诊断方面的应用最多，占比约83%。
2016年，国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》明确提出，体外诊断产品要突破微流控芯片、单分子检测、自动化核酸检测等关键技术。2017年，科技部印发《“十三五”生物技术创新专项规划》，明确将微流控芯片纳入到新一代生物检测技术当中。微流控芯片与体外诊断的绑定从政策层面得到了支持，国内研发微流控芯片的公司中，有近90%投身于将该技术应用到体外诊断领域。
除了政策驱动之外，体外诊断领域之所以能够成为微流控技术细分市场中占比最大的部分，还得益于体外诊断行业近几年来的迅猛发展。2017年至2019年，我国体外诊断行业市场规模年复合增长率达到18.7%。体外诊断行业发展带动起底层技术的创新，成为最先实现微流控技术落地的行业。
目前，体外诊断行业根据细分市场占比由大到小可以依次分为免疫诊断、生化诊断、分子诊断、现场快速诊断（POCT）、血液诊断、微生物诊断等。其中，应用微流控芯片最多的为POCT，占体外诊断行业微流控芯片应用总量37%左右的份额，其次为分子诊断（34%）。POCT设备对微流控芯片的需求在不断递增，POCT将成为微流控产业发展的最大驱动力。
据统计，国内目前共有微流控技术研发企业近50家。2019年，涉及微流控技术的体外诊断企业中有4家完成了约亿元人民币的融资，分别是融智生物、旌准医疗、新格元生物和岚煜生物。
行业发展方向及痛点
当前，高通量单细胞测序技术的主要瓶颈是技术单一，只能应用于转录组等。而基于液滴微流控技术开发的多组学单细胞测序技术，可以实现一次性同时测定单个细胞中的多种组学信息。同时，微流控芯片不仅节约耗材成本和时间成本，还能集多种检测技术于一体，提高检测效率。受益于技术带来便捷的同时，微流控技术行业的痛点也应该引起我们的关注。
生产工艺复杂，良品率不高
微流控产品的技术门槛高，加工工艺复杂，研发人员需要同时具备扎实的交叉学科知识和专业的微流控技术，否则会导致产品良品率降低。
成本控制与批量生产的难点
近年来，实体经济困难较多，不利于高技术产品研发，降低微流控芯片的生产成本成为企业的迫切需求。
未来，随着3D打印、器官集成芯片、器官仿生、药物活性/毒性研究等有流体参与的各个产业逐步发展，微流控芯片的舞台会更加广阔。