苏州汶颢微流控技术股份有限公司

首页 > 技术资讯 > 技术学院

应用于血液检测之生殖医学微流控芯片

血液是在人体内全身循环流动的组织液体,主要由血浆和血球所组成,血球主要由白血球、红血球及血小板等三种细胞组成,血浆内则含有各种蛋白质、抗体、激素等代谢产物。当人体产生任何生理变化或是疾病产生时,血液中的成分都可能产生变化,因此血液成分的检测能提供人体状态的重要即时资讯。然而传统医院检验科的血液检测往往需要漫长的排队等待抽血,检验结果亦需要数日后才能得到,不仅医院检测耗力费时,病患亦无法得到即时且有效的照护。为解决上述问题,研究人员提出传统广泛用于航太、汽车工业、消费性电子产业的微机电系统(Micro-ElectroMechanical-System,MEMS)作微小化的生物芯片,使其可直接在芯片上进行快速、多功能的血液成分检测。此类利用微机电系统的技术所作的生物芯片称之为实

验室芯片(Lab-on-Chip),其字面上的意思就是可将标淮生化实验室内所需要的样本处理步骤、检测仪器及人员操作步骤都整合在一片单手就可拿起的生物芯片。此概念听起来很神奇,但实验室芯片本身需整合许多複杂的微型流道结构和检测功能。目前最具代表性的实验室芯片为世界各国大学及研究单位皆积极发展的生物流控芯片系统。微流控芯片内整合了运用分子生物学、分析化学等生物技术的样本处理、标定、生物标志(Biomarker)反应;需要精密加工技术作的微型化流道、感测器系统,进行少样本需求、快速、平行且高精度的生化反应量测。

1.流控芯片用于血液检测的优势

使用微机电加工技术所作之微流控芯片,可把传统生化反应所需之离心、过滤等样本前处理步骤;样本混合、反应、感测等功能整合在一数平方公分的芯片上。随著整体芯片体积缩小,可较传统生化检测方式需要较少的血液样本量,此外反应时间亦可随著检测体积缩小而缩短,使医生或检测人员能更快得到量测结果。此外微流控芯片可针对不同疾病的血液检测方式,设计抓取、集中特定的血球组成或血浆内的抗体、抗原、蛋白质等成分。举例来说,医生可藉由病患体内红血球或白血球的数目来判断免疫系统的状态;此外,在进行药物治疗或是诊断时也可透过量测血浆中的蛋白质产物来了解治疗的成效。为了提升检测的准确度,血球和血浆分离之纯度是生化检测中一个重要的生物样本前处理步骤,传统的血球血浆分离往往使用高速离心机,虽具备快速、高纯度的分离效果,但往往需要较多的血液样本量(>1Ml),对于一些血液样本较不易取得的病患,如老人或婴儿,处理起来较为不便。微流控芯片由于流道的体积较小,较易处理少量之血液样本分离。此外使用微机电作如微孔洞透模、微沟槽或微分支管道之微流控芯片亦可进行高纯度之血球血浆分离。

2.流控芯片用于血浆样本检测

流控芯片除上述具备少量、快速且高纯度的血液样本前处理功能外,亦可整合不同的感测机制,如光学、电学及磁学等技术,进行即时的血球或血浆含量检测。举例来说,血浆中的蛋白质、抗体、抗原一直为疾病诊断时的重要参数,传统检验血浆中感兴趣目标物最常使用的方式为酵素免疫分析法(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA),此技术利用特定抗体抗原的专一性键结,进行目

标物检体检测。当有特定的抗原和附著于表面的抗体键结时,配合酵素产生之呈色反应来推测欲量测抗原的浓度。此种检测方式具有高分辨率(selectivity)、高精度(sensitivity),可广泛的使用于全血样

本中血浆内含量之免疫分析反应,然而传统的酵素免疫分析法由于单次使用检体体积较多,因此固定血液体积内可量测的抗体抗原种类将受到限制。此外酵素免疫分析法由于需要複杂的血液处理及分析反应操作步骤,通常需 8-24 小时的处理和量测时间,因此量测结果无法提供医生进行即时且有效率的治疗。为解决上述问题,加州理工学院的 J. Heath 教授之研究团队提出了一整合型的微流控芯片,利

用血球在微管道中因不均匀之剪力和压力分布,流往流速较快、压力较小的管道特性(zweifach-fungeffect),直接将血球血浆在微流控芯片内部分离。血浆流往主要管径旁微分支管,其内部成分和微分支

管表面上高密度涂佈的 DNA- 抗体探针结合,如此可在数微升等级的血液样本中,量测癌症病患血液中多达十馀种的细胞激素(Cytokine)。此技术利用血液在微流道流动时特殊的流体特性达成血球血浆分离,大量降低所需血液的样本体积和检测时间。

整合式微流控芯片可进行血球血浆分离及细胞激素之检测

1 整合式微流控芯片可进行血球血浆分离及细胞激素之检测

3.流控芯片用于血球样本检测

另外一种微流控芯片用于血液检测的例子为血球数目、类型或状态的即时观测。举例来说,白血球数目为一用于判断人体体内疾病重要的参数,如白血病。白血病为血液中不成熟白血球异常增生的疾病,计算白血球个数即为主要判断白血病之方式。另一个例子为人体免疫缺陷病毒(HIV),俗称爱滋病毒,其病毒会感染血液中之 CD4+ 白血球细胞,造成人体免疫系统杀死体内的 CD4+ 白血球细胞,此类疾病可藉由计算血液中 CD4+ 之白血球数目判断。另外如要监测洗肾患是否发生发炎反应亦可藉由量测腹膜透析液内之白血球数目。虽然目前细胞流质仪(Flow cytometry)或细胞计数器(Hemocytometer)已广为用于白血球个数的量测,然而这些仪器在白血球数目过少时(<300cells/uL)并无法得出准确的读值,此外亦需要繁琐的样本备流程,无法对于早期的疾病状态或是发炎症状提供准确且即时之诊断。有鑑于此,密西根大学 K. Kurabayashi 教授之研究团队提出一多孔洞结微过滤薄膜之微流控芯片进行微量之白血球计数监测。此微流控芯片架构如图(a) 所示,由三层聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)的高分子有机硅化合物之微结构所组成,中间的 PDMS 层使用微纳米制作之多孔洞微过滤薄膜捕捉血液中之白血球细胞。由于流入微流控芯片之白血球细胞(10-20um)较孔洞尺寸(4-8um)来的大,因此流入微流道之白血球细胞可完全被捕捉于多孔洞微薄膜上。此外由于此薄膜使用透明的 PDMS 材料作,能直接使用光学影像之方式即时观察白血球细胞在芯片内分布的状况,如图 (c) 所示。此微透模孔洞除了可依观察不同白血球种类之尺寸调整孔洞大小,亦可搭配使用尺寸较大之聚苯乙烯微球(30-50um)附著特定的细胞表面蛋白(CD4+、CD8+、CD14+)捕捉血液中特定的免疫细胞子群,如淋巴球细胞(Lymphocytes)、中性体细胞(Neutrophils)、巨噬细胞(Macrophages)等达到高纯度的特定种类的白血球计数。此类的白血球计数微流控芯片由于体积小,操作简易,将来亦可搭配手机系统内之照相机元件及影像处理软体就细胞的尺寸和形状进行细胞的计数及分类,成为便于使用之可携式血球样本检测平台。

多孔洞结微过滤薄膜之微流控芯片 (a) 流流控芯片示意图 (b) 实际微流控芯片照片及使用电子扫描显微镜(SEM)所拍摄之微过滤薄膜孔径图 (c) 使用分析软体进行细胞计数示意图

图二 多孔洞结微过滤薄膜之微流控芯片 (a) 流流控芯片示意图 (b) 实际微流控芯片照片及使用电子扫描显微镜(SEM)所拍摄之微过滤薄膜孔径图 (c) 使用分析软体进行细胞计数示意图

4.流控芯片应用于定点照护

定点照护(Point-of-care)是近年来生物流控芯片领域时常提及之应用,主要的定义为病人不需在具有先进完备医疗设备或是受专业训练医护人员的环境下即可进行简单的生物检测,判断可能产生疾病的风险。这样的检测一来可使患有长期慢性病的病人自行在家中进行简单的疾病状态监控,一旦发现有异常现象时再前往医院进行就医,如此可减低医院及病患所需耗费之医疗人力及时间成本。另一方面的应用则为使用生物流控芯片于医疗资源较为不足的环境进行简易的疾病检测。如哥伦比亚大学的 S. Sia 教授之研究团队,就使用此类型的微流控芯片进行 HIV 的检测。此类应用于定点照护之微流控芯片大多为设计简单的芯片,让使用者易于操作,另外芯片作成本亦需较为低廉,使其为可抛弃式,避免可能造成之样本污染。最后若要更进一步简化其操作步骤,此类芯片最好设计无须任何流体帮浦即可自动运送流体样本至检测区域,使其可以随时随地进行检测。接下来将介绍两种此类

无需外部压力来源即可用于定点照护之环境之微流控芯片

5.真空处理的微流控芯片

流控芯片结构大多使用 PDMS 材料作,因其成本低,程简便快速,具高透光性和生物相容性,因此被广泛的使用。然而传统之 PDMS 微流控芯片多需要外加压力来源推动流体,对于定点照护之环境下较不方便。为解决此问题,加州大学的 L. P. Lee 教授之研究团队利用PDMS 材料具透气性的特性,预先将要进行量测之微流控芯片抽真空,并在使用前密封包装芯片。当要进行血液检测时,再将密封之芯片打开滴入血液样本。如图 (a) 所示,由于芯片之 PDMS 材料内压力较低,便会吸取血液中的空气进而带动流体前进。此芯片主要目的为量测血浆中之蛋白质,因此在检测区域前端设计一使沉积过滤掉血球之沟槽,得到高纯度之血浆进行检测

6.纸做的微流控芯片

相较于 PDMS 等其他材料,纸一直是一种易取得、低成本、具生物相容性,且具备毛细作用的功能,无须外在的压力来源即能直接运送流体。最常见用纸做的生物芯片就是验孕试纸,藉由尿液中糖蛋白激素(Human chorionic gonadotropin,hCG)和试纸上的生物标志物产生反应,造成颜色变化来判断是否怀孕。虽然此类检测试纸很简单且使用方便,但无法精确控制流体方向、流速、反应时间等,因此无法使用在需较複杂处理步骤之生化反应检测。2008 年,哈佛大学的 G. Whitesite 教授之研究团队成功在纸质基材上进行光阻涂布、曝光、显影等标准微机电制程,成功制作世界上第一个纸做的微流控芯片。藉由上述步骤制作材质为纸的微流控芯片,可以改变流道宽细来控制流速,亦能在芯片不同位置上标定多种对应于特定蛋白质抗原之抗体,藉由表面颜色的改变判断检体中是否含有待测之目标物,由于微机电制程能制作精密且複杂的流道结构,大幅提升纸类微流控芯片的应用范围。另一个例

子为杜兰大学 S. S. Shevkoplyas 教授之研究团队研发之微流控芯片。其量测方式为将待测之全血样本滴在芯片的正中心,其芯片表面已预先涂布可使红血球细胞凝结成团之化学物质和全血样本混合,使红血球凝结沉积于中心区域,唯有血浆能藉由毛细作用扩散至四周,和表面的抗体反应完成检测,此纸做的微流控芯片可同时达到血液样本处理和血浆内蛋白质检测的功能,大幅降低血液样本检测之时间与複杂度。纸做的微流控芯片另一个优点为芯片的保存和处理皆较为方便,只要使用燃烧的方式就能处理掉,对于一些检测物可能带有传染源的生物芯片来说至为重要,可减低操作人员在医疗防护较为不良的环境下受到感染的风险。

(a) 真空处理的微流控芯片 (b) 纸做的微流控芯片,上述两种芯片皆能即时分离血球血浆,进行血浆内蛋白质检测


图三 (a) 真空处理的微流控芯片 (b) 纸做的微流控芯片,上述两种芯片皆能即时分离血球血浆,进行血浆内蛋白质检测

整体来说,使用于血液样本检测的微流控芯片能提供更详细的人体资讯。其微小化的流体体积不但能简化及缩短生化反应所需之时间,将来亦能用于远端医疗等定点照护之应用,降低病患前往医院就医所需之医疗成本,虽然和制药产业或是医疗器材等相关生物领域相比,微流控芯片尚属于学界中的研发阶段,但以台湾在电子半导体 IC 产业的蓬勃发展经验,对于高精度、低成本之微流控芯片研制较世界上其他国家具有极大优势,相信在政府、学界及产业界密切合作下,投入大量人力及设备等资源,必能扩展微流控芯片于生殖医学检测之应用并迈向实际商用化的一天。(文章译自:黄念祖-台大电机系科普系列 转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)



标签:   血液检测 微流控芯片