微流控芯片血漿分離技術(shù)：原理、方法與應(yīng)用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，血漿作為血液的重要組成部分，包含了豐富的生物信息，如蛋白質(zhì)、代謝物、核酸以及細(xì)胞外囊泡等，這些物質(zhì)與人體的生理和病理狀態(tài)密切相關(guān)，對(duì)血漿的準(zhǔn)確分析在疾病診斷、藥物研發(fā)等方面起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的血漿分離方法，如離心法，雖然應(yīng)用廣泛，但存在著設(shè)備體積大、操作復(fù)雜、分離時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)快速、準(zhǔn)確、高通量檢測(cè)的需求。膜過濾法雖有應(yīng)用，但膜孔易被血細(xì)胞堵塞，導(dǎo)致分離效率降低、樣品損失和污染等問題。在此背景下，微流控芯片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為血漿分離分析帶來了新的解決方案。微流控芯片技術(shù)是一種在微米尺度上對(duì)流體進(jìn)行操控和處理的技術(shù)，它將微加工技術(shù)、微電子技術(shù)、生物技術(shù)等多學(xué)科結(jié)合在一起，在微小尺度上實(shí)現(xiàn)了流體的精確控制和分析。該技術(shù)憑借其體積小、集成度高、反應(yīng)速度快、能耗低、成本低等固有優(yōu)勢(shì)，成為生物和化學(xué)研究領(lǐng)域新的技術(shù)平臺(tái)。在血漿分離分析中，微流控芯片能夠在極小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的血漿分離，減少樣本和試劑的消耗，同時(shí)可與多種檢測(cè)技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)血漿成分的快速、準(zhǔn)確分析。在疾病診斷方面，微流控芯片血漿分離分析展現(xiàn)出巨大的潛力。以癌癥診斷為例，南洋理工大學(xué)研發(fā)的名為ExoArc的微流控芯片，只需一步便能在30分鐘內(nèi)去除所有血細(xì)胞和超過99.9%的血小板，比離心機(jī)快一倍且血漿純度更高，該芯片能夠加速分離血液中特定癌癥的生物標(biāo)記，如游離在細(xì)胞外的DNA、RNA分子和細(xì)胞外囊泡等，有助于癌癥的早期診斷。在傳染病診斷中，微流控芯片可以快速?gòu)难獫{中分離出病原體相關(guān)標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)疾病的快速診斷，為疫情防控爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。在藥物研發(fā)領(lǐng)域，微流控芯片血漿分離分析也具有重要意義。藥物研發(fā)過程中需要對(duì)藥物在血漿中的代謝過程、藥物與血漿成分的相互作用等進(jìn)行深入研究。微流控芯片能夠模擬體內(nèi)環(huán)境，精確控制血漿與藥物的反應(yīng)條件，為藥物研發(fā)提供更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加速藥物研發(fā)進(jìn)程，降低研發(fā)成本。如通過微流控芯片可以研究藥物在血漿中的釋放特性，評(píng)估藥物的療效和安全性，為藥物劑型的優(yōu)化提供依據(jù)。此外，微流控芯片血漿分離分析還具有便攜性和可訪問性的優(yōu)勢(shì)，能夠輕松地集成到各種環(huán)境中，包括醫(yī)療機(jī)構(gòu)、家庭和資源匱乏地區(qū)，使患者更容易地獲得診斷服務(wù)，特別是對(duì)于那些生活在偏遠(yuǎn)或醫(yī)療服務(wù)不足地區(qū)的人來說，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著微加工技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微流控芯片的性能將進(jìn)一步提高，檢測(cè)速度將進(jìn)一步加快，檢測(cè)靈敏度將進(jìn)一步提高，檢測(cè)成本將進(jìn)一步降低，有望成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，為人類健康做出更大貢獻(xiàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀微流控芯片血漿分離分析作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外都取得了顯著的研究進(jìn)展，眾多科研團(tuán)隊(duì)不斷探索新方法、開拓新應(yīng)用。在新方法研究方面，基于慣性微流原理的微流控芯片展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。有研究設(shè)計(jì)了具有不對(duì)稱彎形通道的微流控芯片結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片裝置采用以印刷電路板(PCB)為材質(zhì)的芯片模板和模塑法制備。先以熒光聚苯乙烯微球作為模型樣品考察裝置性能，后將芯片裝置應(yīng)用于稀釋血液樣品中的血漿分離，成功使血細(xì)胞實(shí)現(xiàn)慣性聚焦流動(dòng)，從而去除血細(xì)胞得到血漿。該芯片裝置用于分離血漿不僅效率高、產(chǎn)率高，而且溶血率低，為血漿分離提供了一種高效、溫和的新途徑。數(shù)字微流控技術(shù)也為血漿分離帶來了新的思路。深圳大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)合作，在相關(guān)論文中介紹了數(shù)字微流控在血液處理方面的應(yīng)用，如在數(shù)字微流控系統(tǒng)中引入多孔膜可以實(shí)現(xiàn)血漿的自動(dòng)分離；還有研究提出一種基于數(shù)字微流控芯片的全血分離血漿的方法，將微升級(jí)別的血液樣本加入數(shù)字微流控芯片，通過操控移動(dòng)血液樣本和血細(xì)胞團(tuán)聚試劑混合反應(yīng)，當(dāng)血液與血細(xì)胞團(tuán)聚試劑混勻后，血細(xì)胞團(tuán)聚并被血漿包圍，進(jìn)而分離出血漿。該方法相比傳統(tǒng)離心分離血漿的方法，不需要其他儀器輔助，不需要長(zhǎng)時(shí)間等待，也不需要手動(dòng)操作，能在5分鐘內(nèi)完成血漿的分離，滿足快速即時(shí)檢測(cè)的需求。在新應(yīng)用拓展上，微流控芯片血漿分離分析在疾病診斷領(lǐng)域不斷取得突破。南洋理工大學(xué)研發(fā)的ExoArc微流控芯片，只需一步便能在30分鐘內(nèi)去除所有血細(xì)胞和超過99.9%的血小板，比離心機(jī)快一倍且血漿純度更高，該芯片能夠加速分離血液中特定癌癥的生物標(biāo)記，如游離在細(xì)胞外的DNA、RNA分子和細(xì)胞外囊泡等，有助于癌癥的早期診斷。吉林大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型微流控免疫分析芯片(Exo-MIC)，旨在實(shí)現(xiàn)血漿樣本中外泌體的連續(xù)、快速、高效富集與檢測(cè)，通過對(duì)該芯片性能的多方面評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其在乳腺癌診斷中表現(xiàn)出色，能夠有效區(qū)分乳腺癌患者和健康個(gè)體血漿中的外泌體，具有較高的診斷準(zhǔn)確率和特異性。鄭州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于磁性納米楊梅的不規(guī)則蛇形通道微流控芯片體系，實(shí)現(xiàn)了血漿外泌體的高效連續(xù)分離。該研究制備了新型磁性納米楊梅以提升外泌體捕獲效率和分離純度，修飾核酸適配體增強(qiáng)外泌體捕獲特異性，并利用流體力學(xué)原理提高外泌體分離效率。該方法可持續(xù)分離并高效回收外泌體，其產(chǎn)量較常用的差速離心高24倍，純度與差速離心相當(dāng)，能滿足多種下游分析需求，為癌癥診斷提供了有力的技術(shù)支持。在藥物研發(fā)領(lǐng)域，微流控芯片血漿分離分析也發(fā)揮著重要作用。通過模擬體內(nèi)環(huán)境，精確控制血漿與藥物的反應(yīng)條件，為藥物研發(fā)提供更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加速藥物研發(fā)進(jìn)程，降低研發(fā)成本。如研究藥物在血漿中的釋放特性、評(píng)估藥物的療效和安全性等，為藥物劑型的優(yōu)化提供依據(jù)。盡管微流控芯片血漿分離分析取得了諸多成果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，如樣本在芯片的注入和取出自動(dòng)化程度有待提高，數(shù)字微流控芯片內(nèi)的多聯(lián)檢和高通量檢測(cè)需要進(jìn)一步優(yōu)化芯片制備工藝和表面處理工藝等。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，微流控芯片血漿分離分析有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷帶來更多的突破。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞微流控芯片血漿分離展開，致力于在深入了解現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)創(chuàng)新的微流控芯片血漿分離方法，優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，提高血漿分離效率和質(zhì)量，并拓展其在疾病診斷和藥物研發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容涵蓋芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、血漿分離方法研究以及實(shí)驗(yàn)與理論分析方法的運(yùn)用。在芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，研究不同的微流控芯片結(jié)構(gòu)對(duì)血漿分離效果的影響是關(guān)鍵。通過構(gòu)建具有不對(duì)稱彎形通道的微流控芯片，利用印刷電路板（PCB）為材質(zhì)的芯片模板和模塑法制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片裝置。這種芯片結(jié)構(gòu)能使血細(xì)胞在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)慣性聚焦流動(dòng)，從而有效去除血細(xì)胞得到血漿，具有效率高、產(chǎn)率高和溶血率低的優(yōu)勢(shì)。此外，探索螺旋形通道、蛇形通道等多種特殊結(jié)構(gòu)的微流控芯片，研究通道的形狀、尺寸、曲率等參數(shù)對(duì)血漿分離效率、純度和細(xì)胞損傷程度的影響。例如，在螺旋形通道芯片中，考察微球在不同流速下的聚焦位置和分離效果，進(jìn)而優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高效的血漿分離。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，深入分析不同結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)的流體力學(xué)特性，如流速分布、壓力分布、剪切應(yīng)力等，為芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。在血漿分離方法研究中，深入探究基于慣性微流原理的血漿分離方法。該原理利用微通道內(nèi)流體的慣性力使血細(xì)胞在特定位置聚焦，從而實(shí)現(xiàn)血漿與血細(xì)胞的分離。研究不同流速、流量、微球或血細(xì)胞尺寸等因素對(duì)慣性聚焦效果的影響，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以更好地理解和預(yù)測(cè)血漿分離過程。同時(shí)，關(guān)注數(shù)字微流控技術(shù)在血漿分離中的應(yīng)用，如在數(shù)字微流控系統(tǒng)中引入多孔膜實(shí)現(xiàn)血漿的自動(dòng)分離，以及通過操控移動(dòng)血液樣本和血細(xì)胞團(tuán)聚試劑混合反應(yīng)來分離血漿。研究血細(xì)胞團(tuán)聚試劑的組成、濃度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)血漿分離效果的影響，優(yōu)化數(shù)字微流控芯片的操控策略，提高血漿分離的速度和準(zhǔn)確性。此外，探索將慣性微流原理與其他分離技術(shù)，如過濾、電泳等相結(jié)合的復(fù)合分離方法，以進(jìn)一步提高血漿分離的效率和質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)與理論分析方法上，采用多種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)微流控芯片血漿分離進(jìn)行研究。使用熒光聚苯乙烯微球作為模型樣品，考察微流控芯片裝置的性能，通過熒光顯微鏡觀察微球在芯片通道內(nèi)的流動(dòng)軌跡和聚焦情況，分析微球的分離效率和純度。在此基礎(chǔ)上，將芯片裝置應(yīng)用于稀釋血液樣品中的血漿分離實(shí)驗(yàn)，通過血細(xì)胞計(jì)數(shù)儀、流式細(xì)胞儀等設(shè)備檢測(cè)分離后血漿中的血細(xì)胞殘留量，評(píng)估血漿分離的效果。同時(shí)，對(duì)分離得到的血漿進(jìn)行生物化學(xué)分析，如蛋白質(zhì)含量測(cè)定、酶活性檢測(cè)等，以驗(yàn)證血漿的質(zhì)量和完整性。利用高速攝影技術(shù)記錄血液在芯片內(nèi)的流動(dòng)過程，分析流體的動(dòng)態(tài)行為，為理論分析提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。在理論分析方面，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)微流控芯片內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。建立微流控芯片的三維模型，設(shè)置合適的邊界條件和物理參數(shù)，模擬不同結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)的流速分布、壓力分布和剪切應(yīng)力分布，分析流體的流動(dòng)特性對(duì)血漿分離的影響。通過數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)不同操作條件下的血漿分離效果，為實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。同時(shí)，結(jié)合微流控芯片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，基于流體力學(xué)、膠體化學(xué)等理論知識(shí)，建立血漿分離的數(shù)學(xué)模型，分析影響血漿分離效率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為微流控芯片血漿分離技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。二、微流控芯片血漿分離的基本原理2.1微流控芯片技術(shù)概述微流控芯片，作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵創(chuàng)新成果，是一種在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行精確操控的前沿技術(shù)，又被稱作微全分析系統(tǒng)或芯片實(shí)驗(yàn)室。其核心目標(biāo)是將傳統(tǒng)化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)室的基本功能，如樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等，高度集成到一塊僅幾平方厘米甚至更小的芯片之上。這一技術(shù)的誕生，是物理、微電子、材料、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科深度交叉融合的結(jié)晶，為生物和化學(xué)研究領(lǐng)域開辟了全新的技術(shù)平臺(tái)。微流控芯片技術(shù)的發(fā)展歷程曲折而充滿突破。其起源可追溯到20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們受到自然界生物過程的啟發(fā)，開始在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上探索模擬這些過程的方法，微流控芯片技術(shù)的雛形也由此逐漸形成。1990年，Manz和Widmer首次提出“微全分析系統(tǒng)”的概念，標(biāo)志著微流控芯片技術(shù)正式進(jìn)入人們的視野。隨后，在1992年，Harrison等人首次在微加工的硅芯片上實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管電泳分離，這一突破性的成果為微流控芯片技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1998年，Burns等人提出將多種生物、化學(xué)分析功能整合在一張微小芯片上的“芯片實(shí)驗(yàn)室”概念，進(jìn)一步推動(dòng)了微流控芯片技術(shù)在臨床檢測(cè)、精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。此后，微流控芯片技術(shù)憑借自身固有眾多優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和深入研究，取得了眾多令人矚目的成果。微流控芯片技術(shù)之所以能夠在眾多領(lǐng)域嶄露頭角，得益于其獨(dú)特的特點(diǎn)和顯著的優(yōu)勢(shì)。從技術(shù)特點(diǎn)來看，微流控芯片技術(shù)具有高度集成化的特性，它能將多種功能模塊，如泵送系統(tǒng)、反應(yīng)區(qū)、檢測(cè)器等，集成在一塊小小的芯片上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和多功能性。這種集成化不僅大大縮小了設(shè)備的體積，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。微流控芯片技術(shù)還具備高靈敏度與分辨率的優(yōu)勢(shì)，由于芯片的通道尺寸極小，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流體流動(dòng)的高精度控制，從而獲得高靈敏度和分辨率的檢測(cè)結(jié)果，能夠檢測(cè)到微量的生物分子和化學(xué)物質(zhì)，為科學(xué)研究和臨床診斷提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在操作和應(yīng)用層面，微流控芯片技術(shù)同樣展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。它具有高通量與自動(dòng)化的特點(diǎn)，能夠同時(shí)處理多個(gè)樣本，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。部分微流控芯片還具備自動(dòng)進(jìn)樣、清洗等功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化，減少了人為操作的誤差和干擾。微流控芯片技術(shù)還具有易于操作與維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)使得操作人員能夠輕松地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果讀取，降低了操作難度和維護(hù)成本，即使是非專業(yè)人員也能在短時(shí)間內(nèi)掌握其操作方法。在材料制備方面，微流控芯片的制作工藝日益成熟，研究者們開發(fā)出了多種適用于微流控芯片制作的材料，如玻璃、石英、聚合物等。這些材料不僅具有良好的光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，還具備易于加工和成本低廉等優(yōu)勢(shì)，為微流控芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供了有力支持。在芯片設(shè)計(jì)方面，微流控芯片的結(jié)構(gòu)和功能不斷優(yōu)化。通過精心設(shè)計(jì)芯片的流道結(jié)構(gòu)、反應(yīng)單元和檢測(cè)元件等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流體的高效操控和精確分析。引入微閥、微泵等微型元件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的精確控制和調(diào)節(jié)；集成光學(xué)傳感器、電化學(xué)傳感器等檢測(cè)元件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種分析物的快速、靈敏檢測(cè)。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，微流控芯片技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷拓寬。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，微流控芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)、藥物篩選、基因測(cè)序等方面。通過模擬生物體內(nèi)的微環(huán)境，微流控芯片可以為細(xì)胞提供更為真實(shí)的生長(zhǎng)條件，從而更好地研究細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和凋亡等過程。在化學(xué)分析領(lǐng)域，微流控芯片可以用于高效液相色譜、毛細(xì)管電泳等分析方法的實(shí)現(xiàn)，提高了分析的靈敏度和分辨率。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，微流控芯片可以用于水質(zhì)檢測(cè)、氣體分析等任務(wù)，為環(huán)境保護(hù)提供了有力支持。在系統(tǒng)集成方面，微流控芯片技術(shù)正朝著更加智能化的方向發(fā)展。通過將微流控芯片與自動(dòng)化控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析軟件等相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)從樣品處理到結(jié)果輸出的全自動(dòng)化分析流程。這不僅提高了分析效率，還降低了人為誤差和操作難度，使得微流控芯片技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中更加便捷和可靠。2.2血漿分離的原理基礎(chǔ)2.2.1慣性微流原理慣性微流是微流控芯片血漿分離中的一種重要原理，近年來成為微流控芯片領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其獨(dú)特之處在于無需施加電力、磁力等外力，就能在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定尺寸微?；蚣?xì)胞的聚焦流動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)血漿與血細(xì)胞的有效分離。當(dāng)流體在微通道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生慣性力。對(duì)于微通道內(nèi)的微?；蚣?xì)胞，其受到的慣性力主要包括剪切梯度力和壁面誘導(dǎo)升力。剪切梯度力源于微通道內(nèi)流體速度的梯度分布，使得微?；蚣?xì)胞在垂直于流動(dòng)方向上受到一個(gè)力的作用；壁面誘導(dǎo)升力則是由于微?；蚣?xì)胞靠近通道壁面時(shí)，受到壁面的影響而產(chǎn)生的升力。在這兩種慣性力的共同作用下，微粒或細(xì)胞會(huì)逐漸向微通道內(nèi)的特定位置聚焦，形成穩(wěn)定的聚焦軌跡。在血漿分離過程中，利用慣性微流原理設(shè)計(jì)的微流控芯片，通過合理設(shè)計(jì)微通道的結(jié)構(gòu)和尺寸，如采用不對(duì)稱彎形通道、螺旋形通道等特殊結(jié)構(gòu)，可以精確控制流體的流動(dòng)狀態(tài)和慣性力的大小，使血細(xì)胞在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)慣性聚焦流動(dòng)。血細(xì)胞在慣性力的作用下，會(huì)聚集在微通道的特定區(qū)域，而血漿則可以在其他區(qū)域相對(duì)純凈地流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)血漿與血細(xì)胞的分離。這種分離方式具有高效、快速的特點(diǎn)，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成血漿分離，且對(duì)血細(xì)胞的損傷較小，有利于后續(xù)對(duì)血漿成分的分析和檢測(cè)。有研究設(shè)計(jì)了具有不對(duì)稱彎形通道的微流控芯片結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片裝置采用以印刷電路板(PCB)為材質(zhì)的芯片模板和模塑法制備。先以熒光聚苯乙烯微球作為模型樣品考察裝置性能，后將芯片裝置應(yīng)用于稀釋血液樣品中的血漿分離，成功使血細(xì)胞實(shí)現(xiàn)慣性聚焦流動(dòng)，從而去除血細(xì)胞得到血漿。該芯片裝置用于分離血漿不僅效率高、產(chǎn)率高，而且溶血率低，為基于慣性微流原理的血漿分離提供了有效的實(shí)踐案例。2.2.2介電潤(rùn)濕原理（以數(shù)字微流控芯片為例）基于介電潤(rùn)濕（EWOD）的數(shù)字微流控芯片（DigitalMicrofluidics,DMF）在血漿分離中展現(xiàn)出獨(dú)特的工作機(jī)制和優(yōu)勢(shì)。其工作原理核心在于通過向電極施加適當(dāng)?shù)碾妷?，巧妙地改變液滴和電極（涂有介電層和疏水層）之間的界面張力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的精確操縱，這為血漿分離提供了一種全新的思路和方法。在數(shù)字微流控芯片中，電極施加電壓的方式主要有印刷電路板（PCB）、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和有源矩陣薄膜晶體管（AM-TFT）陣列基板等。其中，AM-TFT陣列基板憑借其電極連線數(shù)量少、陣列密度和分辨率高、設(shè)備整體尺寸小，以及具備感測(cè)液滴位置和大小、單個(gè)液滴加熱等增強(qiáng)功能、敏捷性和可編程性等優(yōu)勢(shì)，與EWODDMF芯片集成成為一種極具前景和商業(yè)價(jià)值的技術(shù)。當(dāng)對(duì)數(shù)字微流控芯片的電極施加電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列物理變化。在電極表面，由于電場(chǎng)的作用，液滴與電極之間的界面張力發(fā)生改變。原本疏水的電極表面，在電壓作用下，對(duì)液滴的潤(rùn)濕性增強(qiáng)，使得液滴能夠在電極表面移動(dòng)。通過精確控制不同電極上的電壓大小和時(shí)間順序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的移動(dòng)、合并、分裂等多種操作。在血漿分離過程中，將微升級(jí)別的血液樣本加入數(shù)字微流控芯片后，通過數(shù)字微流控芯片操控移動(dòng)血液樣本和血細(xì)胞團(tuán)聚試劑混合。血細(xì)胞團(tuán)聚試劑的組分通常包括磷酸鹽緩沖液、金屬離子、凝集素、表面活性劑等，這些成分協(xié)同作用，促使血細(xì)胞團(tuán)聚。當(dāng)血液與血細(xì)胞團(tuán)聚試劑在數(shù)字微流控芯片上充分混勻反應(yīng)后，血細(xì)胞團(tuán)聚并被血漿包圍。此時(shí)，通過數(shù)字微流控芯片操控，利用液滴操縱技術(shù)，將含有團(tuán)聚血細(xì)胞的液滴與血漿分離，從而成功得到純凈的血漿。深圳大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)在相關(guān)論文中介紹了數(shù)字微流控在血液處理方面的應(yīng)用，如在數(shù)字微流控系統(tǒng)中引入多孔膜可以實(shí)現(xiàn)血漿的自動(dòng)分離。還有研究提出一種基于數(shù)字微流控芯片的全血分離血漿的方法，該方法相比傳統(tǒng)離心分離血漿的方法，不需要其他儀器輔助，不需要長(zhǎng)時(shí)間等待，也不需要手動(dòng)操作，能在5分鐘內(nèi)完成血漿的分離，滿足快速即時(shí)檢測(cè)的需求。2.2.3離心原理（以離心芯片為例）離心芯片是基于離心原理實(shí)現(xiàn)血漿分離的一種微流控芯片，其工作原理與傳統(tǒng)的離心技術(shù)相似，但在微尺度下進(jìn)行，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。離心芯片利用離心力使血細(xì)胞沉降從而分離出血漿，其原理基于血液中各成分的密度差異。在離心力的作用下，密度較大的血細(xì)胞會(huì)向離心力方向沉降，而密度相對(duì)較小的血漿則會(huì)留在上層，從而實(shí)現(xiàn)血漿與血細(xì)胞的分離。離心力的大小與轉(zhuǎn)速、半徑等因素密切相關(guān)。根據(jù)離心力公式F=m???2r（其中F為離心力，m為物體質(zhì)量，??為角速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑），在離心芯片中，通過控制芯片的旋轉(zhuǎn)速度和半徑，可以精確調(diào)節(jié)離心力的大小，以適應(yīng)不同的血漿分離需求。當(dāng)離心芯片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，血液樣本中的血細(xì)胞受到較大的離心力作用，迅速向芯片邊緣沉降，而血漿則在芯片中心區(qū)域聚集，從而實(shí)現(xiàn)兩者的有效分離。離心芯片的設(shè)計(jì)和制造需要考慮多個(gè)因素，以確保其分離效果和性能。芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)血漿分離效果有著重要影響。合理設(shè)計(jì)芯片的微通道形狀、尺寸和布局，可以優(yōu)化流體在芯片內(nèi)的流動(dòng)特性，提高血細(xì)胞的沉降效率和血漿的分離純度。采用螺旋形微通道可以增加血細(xì)胞在通道內(nèi)的停留時(shí)間，使其有更多機(jī)會(huì)與血漿分離；設(shè)計(jì)合適的微通道寬度和深度，可以控制流體的流速和剪切力，避免對(duì)血細(xì)胞造成損傷。芯片的材料選擇也至關(guān)重要。常用的材料如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃、塑料等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。PDMS具有良好的柔韌性、生物相容性和光學(xué)透明性，易于加工成型，是制備離心芯片的常用材料之一。然而，PDMS的表面性質(zhì)可能會(huì)對(duì)血液樣本產(chǎn)生吸附作用，影響分離效果，因此需要對(duì)其表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。玻璃材料具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)性能，但加工難度較大，成本較高。塑料材料則具有成本低、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，但在某些性能方面可能不如PDMS和玻璃。在實(shí)際應(yīng)用中，離心芯片的操作條件也會(huì)影響血漿分離效果。轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間是兩個(gè)關(guān)鍵的操作參數(shù)。過高的轉(zhuǎn)速可能會(huì)導(dǎo)致血細(xì)胞破裂，影響血漿的質(zhì)量；而過低的轉(zhuǎn)速則可能無法使血細(xì)胞充分沉降，導(dǎo)致分離不完全。離心時(shí)間過短，血細(xì)胞沉降不充分，血漿中會(huì)殘留較多的血細(xì)胞；離心時(shí)間過長(zhǎng)，則可能會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和能源，增加實(shí)驗(yàn)成本。因此，需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需求和血液樣本特性，優(yōu)化轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間，以獲得最佳的血漿分離效果。溫度也是影響血漿分離的一個(gè)重要因素。在不同的溫度下，血液的黏度、血細(xì)胞的活性等都會(huì)發(fā)生變化，從而影響離心分離效果。一般來說，較低的溫度可以降低血液的黏度，有利于血細(xì)胞的沉降，但過低的溫度可能會(huì)導(dǎo)致血細(xì)胞的生理活性受到影響。因此，在離心芯片的操作過程中，需要控制合適的溫度，以保證血漿分離的質(zhì)量和血細(xì)胞的完整性。三、微流控芯片血漿分離的方法與技術(shù)3.1不同結(jié)構(gòu)微流控芯片的血漿分離方法3.1.1不對(duì)稱彎形通道芯片不對(duì)稱彎形通道芯片是一種基于慣性微流原理設(shè)計(jì)的新型微流控芯片，在血漿分離領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這種芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精妙，其微通道呈不對(duì)稱彎形，與傳統(tǒng)的直通道或?qū)ΨQ彎形通道不同，這種不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)能夠在微通道內(nèi)產(chǎn)生特殊的流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，為血漿分離提供了新的途徑。在制作工藝上，聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片裝置常采用以印刷電路板(PCB)為材質(zhì)的芯片模板和模塑法制備。這種制備方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，PCB模板具有良好的機(jī)械性能和尺寸精度，能夠保證芯片微通道的精確復(fù)制。模塑法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，適合大規(guī)模制備。先使用熒光聚苯乙烯微球作為模型樣品考察裝置性能，熒光聚苯乙烯微球具有良好的光學(xué)特性，便于通過熒光顯微鏡等設(shè)備觀察其在微通道內(nèi)的流動(dòng)軌跡和聚焦情況。通過對(duì)微球在不同流速、流量等條件下的行為進(jìn)行研究，能夠深入了解芯片的性能和慣性微流原理在該芯片中的作用機(jī)制。在血漿分離實(shí)驗(yàn)中，將稀釋血液樣品注入不對(duì)稱彎形通道芯片后，血細(xì)胞在微通道內(nèi)的流動(dòng)行為發(fā)生顯著變化。由于微通道的不對(duì)稱彎形結(jié)構(gòu)，流體在通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的慣性力，包括剪切梯度力和壁面誘導(dǎo)升力。在這些慣性力的共同作用下，血細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)慣性聚焦流動(dòng)。血細(xì)胞逐漸聚集在微通道內(nèi)的特定位置，形成穩(wěn)定的聚焦軌跡。而血漿則在其他區(qū)域相對(duì)純凈地流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了血漿與血細(xì)胞的有效分離。研究表明，這種芯片用于分離血漿不僅效率高，產(chǎn)率高，而且溶血率低。高效的分離效率得益于芯片獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠快速使血細(xì)胞實(shí)現(xiàn)慣性聚焦，減少了分離時(shí)間。高的產(chǎn)率保證了能夠從血液樣本中獲得足夠量的血漿，滿足后續(xù)分析檢測(cè)的需求。低溶血率則體現(xiàn)了該芯片對(duì)血細(xì)胞的損傷較小，有利于保持血漿成分的完整性，為后續(xù)對(duì)血漿中生物標(biāo)志物的準(zhǔn)確分析提供了保障。3.1.2螺旋形通道芯片螺旋形通道芯片是另一種在血漿分離中具有重要應(yīng)用價(jià)值的微流控芯片，其獨(dú)特的通道結(jié)構(gòu)為血漿分離帶來了新的思路和方法。這種芯片的通道呈螺旋形，從進(jìn)樣口到出口，通道沿著一定的曲率盤旋延伸，形成了一種特殊的微流控環(huán)境。螺旋形通道芯片的制備過程中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片裝置常采用以防焊油墨為材質(zhì)的芯片模板和模塑法制備。防焊油墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光刻性能，能夠精確地定義芯片微通道的形狀和尺寸。模塑法的應(yīng)用使得芯片的制備過程相對(duì)簡(jiǎn)便，成本可控，適合實(shí)驗(yàn)室研究和小規(guī)模生產(chǎn)。在制備過程中，對(duì)芯片的尺寸參數(shù)進(jìn)行精確控制至關(guān)重要，如通道的寬度、深度、螺旋的半徑和螺距等。這些參數(shù)會(huì)直接影響微通道內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)而影響血漿分離效果。在血漿分離實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)血液樣本進(jìn)入螺旋形通道芯片后，流體在螺旋形通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的慣性效應(yīng)。與直線通道相比，螺旋形通道內(nèi)的流體不僅有軸向的流動(dòng)速度，還會(huì)產(chǎn)生徑向的速度分量。這種復(fù)雜的流動(dòng)模式使得血細(xì)胞受到的慣性力更加復(fù)雜，包括剪切梯度力、壁面誘導(dǎo)升力以及由于通道曲率產(chǎn)生的離心力等。在這些慣性力的綜合作用下，血細(xì)胞在微通道內(nèi)逐漸聚焦到特定的位置。通過合理設(shè)計(jì)螺旋形通道的參數(shù)，如曲率、半徑等，可以精確控制血細(xì)胞的聚焦位置和分離效果。有研究將螺旋形通道芯片用于10μm和20μm微球混合樣品的分離，成功實(shí)現(xiàn)了兩種微球的同時(shí)分離，不僅分離效率高，而且產(chǎn)率也高。在此基礎(chǔ)上，嘗試將芯片裝置用于血漿分離實(shí)驗(yàn)，也取得了較好的效果。螺旋形通道芯片在血漿分離中表現(xiàn)出較高的分離效率和純度，能夠有效地去除血細(xì)胞，得到較為純凈的血漿。其高效的分離性能源于螺旋形通道內(nèi)復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境，能夠使血細(xì)胞在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)聚焦和分離。此外，該芯片對(duì)不同尺寸的血細(xì)胞具有較好的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)多種血細(xì)胞的同時(shí)分離。3.1.3紙基微流控芯片紙基微流控芯片作為一種新型的微流控芯片，近年來在血漿分離領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。這種芯片以紙為基底材料，通過特殊的加工工藝在紙上構(gòu)建微流控通道和功能區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)血漿的分離和分析。紙基微流控芯片的制作過程涉及多種加工方法，如激光切割、壓印技術(shù)、噴墨打印技術(shù)、層壓技術(shù)和表面改性技術(shù)等。激光切割是一種利用激光束對(duì)材料進(jìn)行切削的加工方法，在紙基微流控芯片的加工中，主要采用二氧化碳激光器和光纖激光器。這種方法具有切割精度高、速度快、切口平整、無毛刺、熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確地切割紙張，構(gòu)建出復(fù)雜的微流控通道結(jié)構(gòu)。壓印技術(shù)是將圖案或文字壓印到材料表面的加工方法，在紙基微流控芯片的加工中，主要采用熱壓法、滾壓法和激光壓印法。它具有簡(jiǎn)便、快速、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠在紙張表面形成微流控通道和功能區(qū)域的圖案。噴墨打印技術(shù)是將墨水噴射到材料表面形成圖案或文字的加工方法，在紙基微流控芯片的加工中，主要采用壓電噴墨打印技術(shù)和熱噴墨打印技術(shù)。這種方法具有快速、簡(jiǎn)便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確地控制墨水的噴射位置和量，實(shí)現(xiàn)微流控通道的打印。層壓技術(shù)是將兩層或多層材料粘合在一起的加工方法，在紙基微流控芯片的加工中，主要采用熱壓層壓法、冷壓層壓法和粘合劑層壓法。它具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密封性好、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⒉煌δ艿募垙垖訅涸谝黄?，?gòu)建出多功能的紙基微流控芯片。表面改性技術(shù)是通過改變材料表面的化學(xué)性質(zhì)或物理性質(zhì)來改善其性能的技術(shù)，在紙基微流控芯片的加工中，主要采用化學(xué)改性法和物理改性法。這種技術(shù)能夠提高紙張的潤(rùn)濕性、耐水性和耐化學(xué)腐蝕性等，使其更適合微流控芯片的應(yīng)用。在紙基微流控芯片中，流體的控制主要依靠毛細(xì)作用。紙纖維具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)液體接觸紙張時(shí)，會(huì)在毛細(xì)力的作用下自發(fā)地在微流控通道內(nèi)流動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的精確控制，需要對(duì)紙基通道的長(zhǎng)度、寬度和表面性質(zhì)等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。通過延長(zhǎng)通道的長(zhǎng)度，可以延長(zhǎng)液體到達(dá)目標(biāo)區(qū)域所需的時(shí)間；通道越寬，單位時(shí)間內(nèi)單位液體流經(jīng)的距離越短。還可以通過對(duì)紙張表面進(jìn)行改性，如涂覆疏水材料或親水材料，來調(diào)節(jié)液體在通道內(nèi)的流動(dòng)速度和方向。在紙芯片上構(gòu)建閥也是控制液流的重要手段，通過紙層間的折疊、施加外力使紙微量變形或在紙通道之間修飾可溶解的材料等方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液流的啟?？刂?。在血漿分離過程中，將血液樣本滴加到紙基微流控芯片的進(jìn)樣區(qū)域后，血液在毛細(xì)力的作用下沿著微流控通道流動(dòng)。由于血細(xì)胞的尺寸較大，在通過微流控通道時(shí)會(huì)受到通道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的影響，逐漸被截留或聚集在特定區(qū)域。而血漿則能夠相對(duì)順暢地通過微流控通道，到達(dá)收集區(qū)域。紙基微流控芯片用于血漿分離具有成本低廉、便攜性好、操作簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。紙作為基底材料價(jià)格低廉，來源廣泛，使得紙基微流控芯片的成本相對(duì)較低。其重量輕、體積小的特點(diǎn)，使其便于攜帶，非常適合在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程環(huán)境中使用。操作簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的儀器和設(shè)備，降低了使用門檻。流體流速快，檢測(cè)時(shí)間短，能夠滿足快速檢測(cè)的需求。3.2數(shù)字微流控芯片血漿分離技術(shù)數(shù)字微流控芯片血漿分離技術(shù)是一種基于介電潤(rùn)濕原理的創(chuàng)新技術(shù)，為血漿分離領(lǐng)域帶來了新的突破。其核心在于利用介電潤(rùn)濕效應(yīng)，通過對(duì)芯片電極施加電壓來精確操控液滴的移動(dòng)、合并和分裂等行為，從而實(shí)現(xiàn)血漿從全血中的高效分離。在實(shí)際操作中，將微升級(jí)別的血液樣本精準(zhǔn)加入數(shù)字微流控芯片后，芯片操控系統(tǒng)便開始發(fā)揮作用，通過巧妙地控制不同電極上的電壓大小和時(shí)間順序，實(shí)現(xiàn)血液樣本和血細(xì)胞團(tuán)聚試劑的精準(zhǔn)混合。血細(xì)胞團(tuán)聚試劑通常包含磷酸鹽緩沖液、金屬離子、凝集素、表面活性劑等多種成分。磷酸鹽緩沖液能夠維持反應(yīng)體系的酸堿度穩(wěn)定，為后續(xù)的團(tuán)聚反應(yīng)提供適宜的環(huán)境；金屬離子如鈣離子、鎂離子等，可與血細(xì)胞表面的某些成分相互作用，促進(jìn)血細(xì)胞的團(tuán)聚；凝集素則能特異性地識(shí)別并結(jié)合血細(xì)胞表面的糖蛋白或糖脂，引發(fā)血細(xì)胞的凝集；表面活性劑能夠降低液體表面張力，增強(qiáng)試劑與血細(xì)胞的接觸和作用，進(jìn)一步促進(jìn)團(tuán)聚反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)血液與血細(xì)胞團(tuán)聚試劑在數(shù)字微流控芯片上充分混勻反應(yīng)后，血細(xì)胞逐漸團(tuán)聚在一起，并被血漿包圍。此時(shí)，數(shù)字微流控芯片再次發(fā)揮其精準(zhǔn)操控的優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)電極電壓的精確調(diào)節(jié)，將含有團(tuán)聚血細(xì)胞的液滴與血漿成功分離。這種分離過程猶如一場(chǎng)微觀世界的精密舞蹈，每一個(gè)液滴的移動(dòng)都受到精準(zhǔn)的控制，確保了血漿分離的高效性和準(zhǔn)確性。深圳大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)在相關(guān)研究中，深入探索了數(shù)字微流控在血液處理方面的應(yīng)用。他們發(fā)現(xiàn)，在數(shù)字微流控系統(tǒng)中引入多孔膜可以實(shí)現(xiàn)血漿的自動(dòng)分離。多孔膜的存在為血漿的分離提供了額外的物理屏障，血細(xì)胞團(tuán)聚后被阻擋在多孔膜的一側(cè)，而血漿則能夠順利通過多孔膜，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離。還有研究提出了一種基于數(shù)字微流控芯片的全血分離血漿的方法，該方法相比傳統(tǒng)離心分離血漿的方法，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。它不需要其他儀器輔助，擺脫了對(duì)大型離心機(jī)等設(shè)備的依賴，使得血漿分離可以在更加便捷的條件下進(jìn)行；不需要長(zhǎng)時(shí)間等待，能在短短5分鐘內(nèi)完成血漿的分離，大大提高了檢測(cè)效率，滿足了快速即時(shí)檢測(cè)的需求；也不需要手動(dòng)操作，減少了人為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。3.3基于離心力的微流控芯片血漿分離技術(shù)以用于液體活檢生物標(biāo)志物檢測(cè)的離心芯片為例，其在血漿分離過程中涉及多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，這些技術(shù)點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的血漿分離以及后續(xù)的生物標(biāo)志物檢測(cè)至關(guān)重要。血漿分離腔室設(shè)計(jì)是離心芯片的關(guān)鍵要素之一。在設(shè)計(jì)中，需要充分考慮腔室的形狀、尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。常見的離心芯片血漿分離腔室采用漏斗狀設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)能夠有效地引導(dǎo)血液在離心力作用下均勻分布，提高血漿分離的效率。漏斗狀腔室的大口端用于容納全血樣本，在離心過程中，血液在離心力的作用下向腔室的小口端流動(dòng)，血細(xì)胞逐漸沉降到腔室底部，而血漿則在上方富集。腔室的尺寸也需要精確控制，如腔室的容積要根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求合理設(shè)置，以確保能夠容納足夠的血液樣本，同時(shí)又不會(huì)造成樣本的浪費(fèi)。腔室的深度和寬度也會(huì)影響離心力的分布和流體的流動(dòng)特性，進(jìn)而影響血漿分離效果。若腔室過淺，可能導(dǎo)致血細(xì)胞沉降不充分；若腔室過寬，可能會(huì)使流體流速不均勻，影響血漿分離的純度。離心速度和時(shí)間控制是基于離心力的微流控芯片血漿分離技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。離心速度直接決定了離心力的大小，而離心時(shí)間則影響著血細(xì)胞沉降和血漿分離的程度。在血漿分離過程中，通常需要先將芯片緩慢加速到一個(gè)特定的速度，如120rpm，這個(gè)較低的速度有助于保持穩(wěn)定的不混相界面，避免在初始階段血液各成分的過度混合。然后，將芯片加速到較高的速度，如3600rpm，并持續(xù)一定的時(shí)間，如4min，以實(shí)現(xiàn)血細(xì)胞的快速沉降和血漿的有效分離。在細(xì)胞沉降后，芯片在減速期間激活虹吸閥，隨后，分離的血漿樣本被離心到血漿收集腔，用于后續(xù)的生物標(biāo)志物檢測(cè)。離心速度和時(shí)間的選擇并非一成不變，而是需要根據(jù)血液樣本的特性、血漿分離的要求以及芯片的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。如果離心速度過快，可能會(huì)導(dǎo)致血細(xì)胞破裂，使細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)釋放到血漿中，從而影響血漿的質(zhì)量和后續(xù)生物標(biāo)志物檢測(cè)的準(zhǔn)確性，這種現(xiàn)象被稱為溶血。溶血會(huì)導(dǎo)致血紅蛋白釋放到血漿中，可能對(duì)機(jī)體產(chǎn)生負(fù)面影響，如引起腎臟損害等并發(fā)癥。而離心速度過慢，則可能導(dǎo)致血細(xì)胞沉降不充分，血漿中殘留較多的血細(xì)胞，降低血漿的純度。同樣，離心時(shí)間過長(zhǎng)或過短也會(huì)對(duì)血漿分離效果產(chǎn)生不利影響。離心時(shí)間過長(zhǎng)，不僅會(huì)增加實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，還可能會(huì)使血漿中的某些生物標(biāo)志物發(fā)生降解或變性；離心時(shí)間過短，則可能無法實(shí)現(xiàn)充分的血漿分離。為了確定最佳的離心速度和時(shí)間，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)不同離心速度和時(shí)間條件下的血漿分離效果進(jìn)行評(píng)估，如檢測(cè)血漿中的血細(xì)胞殘留量、生物標(biāo)志物的濃度和活性等，來優(yōu)化離心參數(shù)。還可以利用數(shù)值模擬的方法，對(duì)離心過程中的流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)不同離心條件下的血漿分離效果，為實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。在基于離心力的微流控芯片血漿分離技術(shù)中，血漿分離腔室設(shè)計(jì)、離心速度和時(shí)間控制等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同決定了血漿分離的效果和質(zhì)量。只有對(duì)這些技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的血漿分離，為液體活檢生物標(biāo)志物檢測(cè)提供高質(zhì)量的血漿樣本，推動(dòng)相關(guān)疾病的早期診斷和治療。四、微流控芯片血漿分離的應(yīng)用案例分析4.1在疾病診斷中的應(yīng)用4.1.1癌癥診斷癌癥，作為嚴(yán)重威脅人類健康的重大疾病之一，其早期診斷對(duì)于提高患者的生存率和治療效果至關(guān)重要。微流控芯片血漿分離技術(shù)在癌癥診斷領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，為癌癥的早期發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)診斷提供了新的有力工具。以南洋理工大學(xué)研發(fā)的ExoArc微流控芯片為例，深入剖析其在癌癥診斷中的應(yīng)用和顯著效果。ExoArc微流控芯片是一款具有創(chuàng)新性的微流控芯片，其設(shè)計(jì)精妙，能夠在短時(shí)間內(nèi)從血液中分離出高純度的血漿。這款芯片的體積小巧，僅有硬幣大小，卻蘊(yùn)含著強(qiáng)大的功能。它只需一步操作，便能在短短30分鐘內(nèi)去除所有血細(xì)胞和超過99.9%的血小板。與傳統(tǒng)的離心機(jī)分離血漿方法相比，ExoArc微流控芯片的分離速度快了一倍，同時(shí)分離出的血漿純度更高。傳統(tǒng)離心機(jī)分離的血漿中往往仍殘留血細(xì)胞和血小板，這些殘留物質(zhì)可能會(huì)在后續(xù)的診斷測(cè)試中降解并釋放出不必要的物質(zhì)，從而干擾診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。而ExoArc微流控芯片則有效避免了這一問題，為癌癥診斷提供了更純凈的血漿樣本。在癌癥診斷過程中，ExoArc微流控芯片能夠加速分離血液中特定癌癥的生物標(biāo)記。這些生物標(biāo)記包括游離在細(xì)胞外的脫氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）分子和細(xì)胞外囊泡等。這些生物標(biāo)記攜帶著癌癥的重要信息，對(duì)于癌癥的早期診斷和病情監(jiān)測(cè)具有重要意義。通過ExoArc微流控芯片高效分離這些生物標(biāo)記，醫(yī)生能夠更準(zhǔn)確地了解患者的病情，為癌癥的早期診斷和治療提供有力支持。研究團(tuán)隊(duì)與新加坡國(guó)立癌癥中心（NCCS）、陳篤生醫(yī)院及新加坡科技研究局（A*STAR）的臨床科學(xué)家展開緊密合作，使用ExoArc微流控芯片和相關(guān)設(shè)備對(duì)健康人群和癌癥患者血漿里的小分子核糖核酸進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人振奮，該芯片在診斷非小細(xì)胞肺癌方面展現(xiàn)出極高的敏感度，能夠達(dá)到高達(dá)九成。這一卓越的表現(xiàn)表明，ExoArc微流控芯片在非小細(xì)胞肺癌的早期診斷中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，能夠幫助醫(yī)生更早地發(fā)現(xiàn)疾病，為患者爭(zhēng)取寶貴的治療時(shí)間。ExoArc微流控芯片的成功應(yīng)用，不僅為非小細(xì)胞肺癌的診斷帶來了新的突破，也為其他癌癥的診斷提供了有益的借鑒。它的出現(xiàn)，讓我們看到了微流控芯片血漿分離技術(shù)在癌癥診斷領(lǐng)域的廣闊前景。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信微流控芯片血漿分離技術(shù)將在癌癥診斷中發(fā)揮更加重要的作用，為癌癥患者帶來更多的希望。4.1.2其他疾病診斷微流控芯片血漿分離技術(shù)在遺傳性疾病診斷中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。以地中海貧血為例，這是一種常見的遺傳性血液疾病，其發(fā)病機(jī)制與基因突變密切相關(guān)。在診斷過程中，準(zhǔn)確檢測(cè)血漿中的相關(guān)基因標(biāo)志物至關(guān)重要。通過微流控芯片血漿分離技術(shù)，可以快速、高效地從患者血液樣本中分離出血漿，并進(jìn)一步對(duì)血漿中的基因標(biāo)志物進(jìn)行檢測(cè)。微流控芯片能夠精確控制流體的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)血漿中微量基因物質(zhì)的富集和分離，提高檢測(cè)的靈敏度。采用基于微流控芯片的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)，可以在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)血漿中特定基因片段的擴(kuò)增和檢測(cè)。這種方法能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，為地中海貧血的早期診斷和病情評(píng)估提供有力支持。在感染性疾病診斷方面，微流控芯片血漿分離技術(shù)同樣展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。以流感病毒感染為例，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出血漿中的流感病毒標(biāo)志物對(duì)于疾病的早期診斷和治療至關(guān)重要。利用微流控芯片血漿分離技術(shù)，結(jié)合免疫檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)血漿中流感病毒抗原或抗體的快速檢測(cè)。在微流控芯片上集成免疫捕獲探針，當(dāng)血漿樣本流經(jīng)芯片時(shí)，流感病毒抗原或抗體能夠被特異性捕獲，然后通過熒光標(biāo)記或電化學(xué)檢測(cè)等手段進(jìn)行檢測(cè)。這種方法具有檢測(cè)速度快、靈敏度高的特點(diǎn)，能夠在幾分鐘內(nèi)得到檢測(cè)結(jié)果，有助于及時(shí)采取治療措施，控制疾病的傳播。微流控芯片血漿分離技術(shù)還可以用于艾滋病、乙肝等感染性疾病的診斷。通過對(duì)血漿中病毒核酸或抗體的檢測(cè)，為疾病的診斷和治療提供重要依據(jù)。在艾滋病診斷中，微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)血漿中艾滋病病毒（HIV）核酸的高靈敏度檢測(cè)，有助于早期發(fā)現(xiàn)感染和監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展。在乙肝診斷中，微流控芯片能夠檢測(cè)血漿中的乙肝病毒表面抗原、e抗原等標(biāo)志物，為乙肝的診斷、治療和預(yù)防提供支持。微流控芯片血漿分離技術(shù)在遺傳性疾病、感染性疾病等診斷中具有重要的應(yīng)用實(shí)例和價(jià)值。通過快速、準(zhǔn)確地分離血漿并檢測(cè)其中的相關(guān)標(biāo)志物，為這些疾病的早期診斷、治療和防控提供了有力的技術(shù)支持，有助于提高疾病的診斷效率和治療效果，改善患者的健康狀況。4.2在藥物研發(fā)中的應(yīng)用在藥物研發(fā)的漫長(zhǎng)征程中，微流控芯片血漿分離技術(shù)正逐漸嶄露頭角，發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用，為藥物研發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)提供了強(qiáng)有力的支持和全新的解決方案。在新藥發(fā)現(xiàn)階段，微流控芯片血漿分離技術(shù)能夠助力科研人員從海量的化合物中快速篩選出具有潛在活性的藥物候選物。傳統(tǒng)的藥物篩選方法往往需要消耗大量的樣品和試劑，且篩選效率較低，難以滿足現(xiàn)代藥物研發(fā)對(duì)高通量、高效率的需求。而微流控芯片憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠在極小的空間內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)樣品，實(shí)現(xiàn)高通量篩選。通過將血漿樣本與各種化合物在微流控芯片上進(jìn)行精確的混合和反應(yīng)，利用微流控芯片對(duì)流體的精確操控能力，能夠模擬體內(nèi)的生理環(huán)境，使藥物與血漿成分充分相互作用。結(jié)合高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)，如熒光檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè)等，可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出藥物對(duì)血漿中生物標(biāo)志物的影響，從而篩選出具有潛在活性的藥物候選物。這種高通量篩選能力大大縮短了新藥發(fā)現(xiàn)的周期，提高了藥物研發(fā)的效率，為新藥的研發(fā)提供了更多的可能性。在藥物活性篩選環(huán)節(jié)，微流控芯片血漿分離技術(shù)可以對(duì)藥物的活性進(jìn)行更加精準(zhǔn)的評(píng)估。藥物的活性是其能否發(fā)揮治療作用的關(guān)鍵因素，因此準(zhǔn)確評(píng)估藥物活性至關(guān)重要。微流控芯片能夠精確控制血漿與藥物的反應(yīng)條件，如溫度、pH值、反應(yīng)時(shí)間等，為藥物活性的研究提供了穩(wěn)定且可控的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在微流控芯片上，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)藥物與血漿成分的相互作用過程，觀察藥物對(duì)血漿中蛋白質(zhì)、酶等生物分子的影響。通過對(duì)多個(gè)參數(shù)的同時(shí)分析，如藥物濃度、生物標(biāo)志物的變化、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)等，可以全面深入地了解藥物的活性和作用機(jī)制。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，微流控芯片血漿分離技術(shù)能夠提供更加豐富和準(zhǔn)確的信息，有助于篩選出活性高、療效好的藥物，為后續(xù)的藥物研發(fā)提供有力的依據(jù)。在藥物毒性評(píng)估方面，微流控芯片血漿分離技術(shù)也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。藥物的安全性是藥物研發(fā)過程中必須重點(diǎn)關(guān)注的問題，而藥物毒性評(píng)估是確保藥物安全性的重要環(huán)節(jié)。利用微流控芯片技術(shù)，可以構(gòu)建更加接近人體生理環(huán)境的體外模型，如器官芯片技術(shù)和多細(xì)胞共培養(yǎng)模型。在這些模型中，通過微流控芯片精確地控制血漿的流動(dòng)和藥物的濃度，模擬藥物在體內(nèi)的代謝和分布過程，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)估藥物對(duì)不同器官和細(xì)胞的毒性作用。在肝臟芯片中，通過微流控芯片將血漿和藥物輸送到芯片上的肝臟細(xì)胞模型中，觀察藥物對(duì)肝臟細(xì)胞的損傷情況、代謝酶的活性變化等，評(píng)估藥物的肝臟毒性。這種基于微流控芯片的藥物毒性評(píng)估方法，能夠在早期發(fā)現(xiàn)藥物的潛在毒性問題，避免在臨床試驗(yàn)階段才發(fā)現(xiàn)藥物的安全性問題，從而降低藥物研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。在藥物代謝動(dòng)力學(xué)研究中，微流控芯片血漿分離技術(shù)同樣發(fā)揮著重要作用。藥物代謝動(dòng)力學(xué)主要研究藥物在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和排泄過程，對(duì)于優(yōu)化藥物劑量、提高藥物療效和安全性具有重要意義。微流控芯片可以模擬藥物在體內(nèi)的吸收過程，通過精確控制血漿與藥物的接觸時(shí)間和濃度，研究藥物在不同生理?xiàng)l件下的吸收機(jī)制。在微流控芯片上構(gòu)建腸道模型，將血漿和藥物引入模型中，觀察藥物在腸道上皮細(xì)胞中的吸收情況，研究藥物的吸收速率和吸收途徑。微流控芯片還可以用于研究藥物在血漿中的分布和代謝過程，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物在血漿中的濃度變化，分析藥物的代謝產(chǎn)物和代謝途徑。這些研究結(jié)果有助于深入了解藥物的體內(nèi)過程，為藥物的合理設(shè)計(jì)和臨床應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。4.3在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，微流控芯片血漿分離技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為基礎(chǔ)研究工作提供了強(qiáng)有力的支持，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。在細(xì)胞周期同步化研究中，基于慣性微流原理設(shè)計(jì)的螺旋形通道微流控芯片展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。細(xì)胞周期同步化是研究細(xì)胞生理和病理過程的重要手段，它能夠使細(xì)胞群體處于同一細(xì)胞周期階段，便于進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究。螺旋形通道微流控芯片通過精確控制流體在微通道內(nèi)的流動(dòng)，利用慣性力使不同細(xì)胞周期階段的細(xì)胞在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)聚焦和分離。研究人員設(shè)計(jì)了具有螺旋形通道的微流控芯片結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片裝置采用以防焊油墨為材質(zhì)的芯片模板和模塑法制備。先使用熒光聚苯乙烯微球作為模型樣品考察裝置性能，并將芯片裝置用于10μm和20μm微球混合樣品的分離。在此基礎(chǔ)上嘗試將芯片裝置用于HL-60細(xì)胞周期同步化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)制備的微流控芯片裝置成功實(shí)現(xiàn)了微球混合樣品中10μm和20μm兩種微球的同時(shí)分離，不僅分離效率高，而且產(chǎn)率也高。雖然HL-60細(xì)胞周期同步化實(shí)驗(yàn)結(jié)果不如微球混合樣品分離理想，G0/G1期和G2/M期細(xì)胞的分離效率僅為10μm和20μm微球混合樣品分離實(shí)驗(yàn)的1/10左右，但實(shí)驗(yàn)中所采用的高流速條件對(duì)于HL-60細(xì)胞活性影響較小，分離后細(xì)胞活性仍然能夠達(dá)到90%以上。這為進(jìn)一步優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)更高效的細(xì)胞周期同步化提供了基礎(chǔ)。在外泌體分離研究方面，微流控芯片血漿分離技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。外泌體是一種由細(xì)胞分泌的納米級(jí)囊泡，廣泛存在于各種體液中，如血漿、尿液、唾液等。外泌體攜帶了豐富的生物信息，包括蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等，與細(xì)胞間的通訊、疾病的發(fā)生發(fā)展等密切相關(guān)。因此，高效分離外泌體對(duì)于研究其生物學(xué)功能和臨床應(yīng)用具有重要意義。吉林大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型微流控免疫分析芯片(Exo-MIC)，旨在實(shí)現(xiàn)血漿樣本中外泌體的連續(xù)、快速、高效富集與檢測(cè)。通過對(duì)該芯片性能的多方面評(píng)估，發(fā)現(xiàn)其在乳腺癌診斷中表現(xiàn)出色，能夠有效區(qū)分乳腺癌患者和健康個(gè)體血漿中的外泌體，具有較高的診斷準(zhǔn)確率和特異性。鄭州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于磁性納米楊梅的不規(guī)則蛇形通道微流控芯片體系，實(shí)現(xiàn)了血漿外泌體的高效連續(xù)分離。該研究制備了新型磁性納米楊梅以提升外泌體捕獲效率和分離純度，修飾核酸適配體增強(qiáng)外泌體捕獲特異性，并利用流體力學(xué)原理提高外泌體分離效率。該方法可持續(xù)分離并高效回收外泌體，其產(chǎn)量較常用的差速離心高24倍，純度與差速離心相當(dāng)，能滿足多種下游分析需求，為癌癥診斷提供了有力的技術(shù)支持。在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中，微流控芯片血漿分離技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)血漿中蛋白質(zhì)的高效分離和分析。蛋白質(zhì)組學(xué)是研究生物體蛋白質(zhì)組成及其變化規(guī)律的學(xué)科，對(duì)于揭示生命過程的本質(zhì)和疾病的發(fā)病機(jī)制具有重要意義。微流控芯片可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的分離，如等電聚焦、毛細(xì)管電泳等。在微流控芯片上進(jìn)行等電聚焦，能夠根據(jù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)差異將其分離，結(jié)合質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)，可以對(duì)分離后的蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定和定量分析。這種方法具有分離效率高、分析速度快、樣品消耗少等優(yōu)點(diǎn)，能夠從微量的血漿樣本中獲取豐富的蛋白質(zhì)信息，為蛋白質(zhì)組學(xué)研究提供了新的技術(shù)手段。五、微流控芯片血漿分離面臨的挑戰(zhàn)與解決方案5.1技術(shù)難點(diǎn)分析5.1.1芯片穩(wěn)定性問題微流控芯片在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中，材料老化是一個(gè)不容忽視的問題。以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為例，作為一種常用的微流控芯片材料，它雖然具有良好的柔韌性、生物相容性和光學(xué)透明性，但在長(zhǎng)期使用過程中，會(huì)受到多種因素的影響而發(fā)生老化。PDMS會(huì)與血漿中的某些成分發(fā)生相互作用，導(dǎo)致其表面性質(zhì)發(fā)生改變。血漿中的蛋白質(zhì)等生物分子可能會(huì)吸附在PDMS表面，形成蛋白質(zhì)層，這不僅會(huì)影響芯片的表面潤(rùn)濕性，還可能導(dǎo)致芯片表面的微結(jié)構(gòu)被覆蓋，影響血漿分離效果。PDMS在光照、溫度變化等環(huán)境因素的作用下，其分子結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的物理性能下降。隨著老化程度的增加，PDMS的柔韌性降低，可能出現(xiàn)裂紋或變形，從而影響芯片的密封性和微通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。流體泄漏也是微流控芯片穩(wěn)定性面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。芯片的密封性能是保證其正常工作的關(guān)鍵因素之一。在微流控芯片中，通常采用鍵合等方法來實(shí)現(xiàn)芯片各部分之間的密封。然而，在實(shí)際使用過程中，由于受到壓力、溫度等因素的影響，鍵合處的密封性能可能會(huì)下降，導(dǎo)致流體泄漏。在血漿分離過程中，需要對(duì)微通道內(nèi)的流體施加一定的壓力，以驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)和實(shí)現(xiàn)分離。如果鍵合處的密封性能不足，在高壓作用下，流體就可能從鍵合處泄漏，影響血漿分離的準(zhǔn)確性和可靠性。溫度的變化也會(huì)對(duì)芯片的密封性能產(chǎn)生影響。當(dāng)芯片在不同溫度環(huán)境下使用時(shí)，芯片材料和鍵合材料的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)導(dǎo)致鍵合處產(chǎn)生應(yīng)力，從而破壞密封性能。芯片的長(zhǎng)期穩(wěn)定性還受到微通道內(nèi)表面粗糙度的影響。微通道內(nèi)表面的粗糙度會(huì)影響流體的流動(dòng)特性和血細(xì)胞在通道內(nèi)的行為。隨著使用次數(shù)的增加，微通道內(nèi)表面可能會(huì)受到磨損，導(dǎo)致表面粗糙度增加。表面粗糙度的增加會(huì)使流體在通道內(nèi)的流動(dòng)阻力增大，影響血漿分離的效率。粗糙的表面還可能會(huì)導(dǎo)致血細(xì)胞在通道內(nèi)的粘附和聚集，進(jìn)一步影響血漿分離效果。在基于慣性微流原理的微流控芯片中，表面粗糙度的變化會(huì)改變流體的慣性力分布，從而影響血細(xì)胞的聚焦和分離效果。5.1.2檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性問題樣本量的限制是影響微流控芯片血漿分離檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性的重要因素之一。在微流控芯片中，由于芯片的尺寸較小，能夠容納的樣本量有限。這就意味著在檢測(cè)血漿中的生物標(biāo)志物時(shí)，樣本中的生物標(biāo)志物濃度可能較低，從而影響檢測(cè)的靈敏度。當(dāng)檢測(cè)一些含量極低的生物標(biāo)志物時(shí)，如某些腫瘤標(biāo)志物，有限的樣本量可能無法提供足夠的信號(hào)強(qiáng)度，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。樣本量的不均勻性也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。如果在芯片進(jìn)樣過程中，樣本量存在波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性變差，降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在多次實(shí)驗(yàn)中，由于進(jìn)樣量的微小差異，可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)到的生物標(biāo)志物濃度出現(xiàn)較大的波動(dòng)，從而影響對(duì)疾病的診斷和判斷。雜質(zhì)干擾是另一個(gè)影響檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。血漿中除了含有目標(biāo)生物標(biāo)志物外，還存在著大量的其他物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、細(xì)胞碎片等，這些雜質(zhì)可能會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生干擾。在基于免疫檢測(cè)的微流控芯片中，血漿中的非特異性蛋白質(zhì)可能會(huì)與檢測(cè)抗體發(fā)生非特異性結(jié)合，產(chǎn)生假陽性信號(hào)，從而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。雜質(zhì)還可能會(huì)影響生物標(biāo)志物與檢測(cè)探針的結(jié)合效率，降低檢測(cè)的靈敏度。在檢測(cè)血漿中的核酸標(biāo)志物時(shí)，脂質(zhì)等雜質(zhì)可能會(huì)包裹核酸分子，阻礙核酸與檢測(cè)探針的雜交，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)減弱。檢測(cè)技術(shù)本身的局限性也會(huì)影響微流控芯片血漿分離的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性。不同的檢測(cè)技術(shù)具有不同的靈敏度和特異性。熒光檢測(cè)技術(shù)雖然具有較高的靈敏度，但容易受到熒光背景的干擾；電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)雖然具有較好的選擇性，但對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求較高。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。如果檢測(cè)技術(shù)的靈敏度不夠高，可能會(huì)導(dǎo)致一些低濃度的生物標(biāo)志物無法被檢測(cè)到；如果檢測(cè)技術(shù)的特異性不強(qiáng)，可能會(huì)出現(xiàn)假陽性或假陰性結(jié)果。在檢測(cè)血漿中的病毒核酸時(shí)，如果檢測(cè)技術(shù)的靈敏度不足，可能會(huì)漏檢一些病毒感染的樣本；如果檢測(cè)技術(shù)的特異性不夠，可能會(huì)將正常樣本誤判為感染樣本。5.1.3操作復(fù)雜度問題微流控芯片操作過程中涉及到多步反應(yīng)的順序控制，這對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高。在基于數(shù)字微流控芯片的血漿分離技術(shù)中，需要精確控制血液樣本與血細(xì)胞團(tuán)聚試劑的混合順序和時(shí)間。先將血液樣本加入芯片，然后在合適的時(shí)機(jī)加入血細(xì)胞團(tuán)聚試劑，并確保兩者充分混合反應(yīng)。如果操作順序錯(cuò)誤，如先加入血細(xì)胞團(tuán)聚試劑再加入血液樣本，或者混合時(shí)間不足，會(huì)導(dǎo)致血細(xì)胞團(tuán)聚不充分，影響血漿分離效果。在一些涉及多種生物化學(xué)反應(yīng)的微流控芯片中，如用于檢測(cè)血漿中多種生物標(biāo)志物的芯片，需要按照特定的順序依次加入不同的試劑，以保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。如果操作人員對(duì)反應(yīng)順序不熟悉，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。精確的流體操控也是微流控芯片操作中的一個(gè)難點(diǎn)。微流控芯片中的流體通常在微米尺度的通道內(nèi)流動(dòng)，對(duì)流速、流量的控制要求極高。在基于離心力的微流控芯片血漿分離技術(shù)中，需要精確控制離心速度和時(shí)間。離心速度過快或過慢都會(huì)影響血細(xì)胞的沉降和血漿分離效果。如果離心速度過快，可能會(huì)導(dǎo)致血細(xì)胞破裂，影響血漿質(zhì)量；如果離心速度過慢，血細(xì)胞沉降不充分，血漿中會(huì)殘留較多的血細(xì)胞。在基于壓力驅(qū)動(dòng)的微流控芯片中，需要精確控制壓力大小和變化，以確保流體在微通道內(nèi)按照預(yù)定的路徑和速度流動(dòng)。如果壓力控制不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致流體流速波動(dòng)，影響血漿分離的效率和準(zhǔn)確性。微流控芯片的操作還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行嚴(yán)格控制。溫度、濕度等環(huán)境因素會(huì)對(duì)微流控芯片的性能和血漿分離效果產(chǎn)生影響。在進(jìn)行某些生物化學(xué)反應(yīng)時(shí)，需要在特定的溫度下進(jìn)行，以保證反應(yīng)的速率和特異性。如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度波動(dòng)較大，會(huì)影響生物化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而影響檢測(cè)結(jié)果。濕度也會(huì)影響芯片的表面性質(zhì)和流體的流動(dòng)特性。在高濕度環(huán)境下，芯片表面可能會(huì)吸附水分，導(dǎo)致表面潤(rùn)濕性發(fā)生改變，影響流體在芯片內(nèi)的流動(dòng)。5.2解決方案探討5.2.1材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化在材料選擇方面，可探索新型材料以提升微流控芯片的穩(wěn)定性。例如，開發(fā)具有更高化學(xué)穩(wěn)定性和抗老化性能的聚合物材料。傳統(tǒng)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）雖被廣泛應(yīng)用，但存在老化問題，可嘗試將其與其他材料進(jìn)行復(fù)合，如與納米粒子復(fù)合制備納米復(fù)合PDMS材料。通過在PDMS中添加納米二氧化硅粒子，可增強(qiáng)材料的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。納米二氧化硅粒子能夠均勻分散在PDMS基體中，形成物理交聯(lián)點(diǎn)，抑制PDMS分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從而減少材料老化過程中的結(jié)構(gòu)變化。這種納米復(fù)合PDMS材料在長(zhǎng)期與血漿接觸過程中，能更好地保持表面性質(zhì)的穩(wěn)定，減少蛋白質(zhì)吸附和表面微結(jié)構(gòu)的改變，提高芯片的使用壽命和血漿分離效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，優(yōu)化微通道的形狀和尺寸是關(guān)鍵。對(duì)于基于慣性微流原理的微流控芯片，進(jìn)一步研究微通道的曲率、寬度和深度對(duì)慣性力分布和血細(xì)胞聚焦效果的影響。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，找到最佳的微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)。在螺旋形通道芯片中，增加通道的曲率可以增強(qiáng)離心力的作用，使血細(xì)胞更快地聚焦和分離。優(yōu)化通道的寬度和深度比例，可調(diào)整流體的流速和剪切力，避免對(duì)血細(xì)胞造成過度損傷。設(shè)計(jì)微通道的分支結(jié)構(gòu)，使血液在通道內(nèi)分流后再匯聚，能夠增加血細(xì)胞與血漿的分離機(jī)會(huì)，提高分離效率。為解決流體泄漏問題，改進(jìn)芯片的鍵合技術(shù)和密封結(jié)構(gòu)。采用新型的鍵合方法，如熱壓鍵合與等離子體處理相結(jié)合的技術(shù)。先對(duì)芯片表面進(jìn)行等離子體處理，增加表面的活性基團(tuán)，然后進(jìn)行熱壓鍵合，可顯著提高鍵合強(qiáng)度和密封性能。在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，引入特殊的密封墊圈或密封膠，如具有高彈性和良好化學(xué)相容性的硅橡膠墊圈。硅橡膠墊圈能夠填充芯片各部分之間的微小間隙，有效防止流體泄漏。通過優(yōu)化墊圈的形狀和尺寸，使其與芯片的結(jié)構(gòu)緊密配合，進(jìn)一步提高密封效果。5.2.2檢測(cè)技術(shù)改進(jìn)為提高微流控芯片血漿分離檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，可采用新型的檢測(cè)方法和傳感器。在檢測(cè)方法上，引入納米粒子增強(qiáng)的檢測(cè)技術(shù)。如利用納米金粒子的表面等離子體共振效應(yīng)，開發(fā)基于納米金粒子標(biāo)記的免疫檢測(cè)方法。納米金粒子具有良好的生物相容性和光學(xué)特性，能夠特異性地標(biāo)記血漿中的生物標(biāo)志物。當(dāng)納米金粒子與生物標(biāo)志物結(jié)合后，其表面等離子體共振波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，通過檢測(cè)這種變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物標(biāo)志物的高靈敏度檢測(cè)。在檢測(cè)血漿中的腫瘤標(biāo)志物時(shí)，將納米金粒子標(biāo)記的抗體與血漿樣本混合，通過表面等離子體共振傳感器檢測(cè)納米金粒子的光學(xué)信號(hào)變化，能夠檢測(cè)到低至皮摩爾級(jí)別的腫瘤標(biāo)志物濃度，比傳統(tǒng)的免疫檢測(cè)方法靈敏度提高數(shù)倍。在傳感器方面，研發(fā)高靈敏度的生物傳感器。如基于石墨烯的生物傳感器，石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高比表面積，能夠與生物分子發(fā)生特異性相互作用。將石墨烯修飾在電極表面，構(gòu)建石墨烯基電化學(xué)傳感器，用于檢測(cè)血漿中的生物標(biāo)志物。當(dāng)生物標(biāo)志物與石墨烯表面的識(shí)別分子結(jié)合時(shí)，會(huì)引起電極表面電荷分布的變化，從而導(dǎo)致電化學(xué)信號(hào)的改變。這種傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)血漿中多種生物標(biāo)志物的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。在檢測(cè)血漿中的蛋白質(zhì)標(biāo)志物時(shí)，石墨烯基電化學(xué)傳感器能夠在幾分鐘內(nèi)給出檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)限可達(dá)納摩爾級(jí)別。為減少雜質(zhì)干擾，可對(duì)血漿樣本進(jìn)行預(yù)處理。采用微濾膜過濾、固相萃取等方法去除血漿中的雜質(zhì)。在微濾膜過濾中，選擇孔徑合適的微濾膜，如孔徑為0.22μm的聚醚砜微濾膜，能夠有效去除血漿中的細(xì)胞碎片和大分子雜質(zhì)，而不影響生物標(biāo)志物的檢測(cè)。固相萃取則利用固相萃取柱對(duì)血漿中的生物標(biāo)志物進(jìn)行富集和分離，去除干擾物質(zhì)。通過選擇合適的固相萃取材料，如鍵合有特異性配體的硅膠顆粒，能夠選擇性地吸附目標(biāo)生物標(biāo)志物，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。5.2.3自動(dòng)化與智能化發(fā)展引入自動(dòng)化控制技術(shù)是降低微流控芯片操作復(fù)雜度的重要途徑。設(shè)計(jì)自動(dòng)化的微流控芯片系統(tǒng)，集成自動(dòng)進(jìn)樣、流體控制、反應(yīng)監(jiān)測(cè)和結(jié)果分析等功能。采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制備微型泵和微閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的精確控制。通過計(jì)算機(jī)程序控制微型泵和微閥的開啟和關(guān)閉，按照預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)完成多步反應(yīng)。在基于數(shù)字微流控芯片的血漿分離中，利用自動(dòng)化控制技術(shù)，能夠精確控制血液樣本和血細(xì)胞團(tuán)聚試劑的混合時(shí)間和比例，確保反應(yīng)的一致性和準(zhǔn)確性。自動(dòng)化系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程中的參數(shù)，如溫度、壓力等，當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定范圍時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。人工智能算法在微流控芯片中的應(yīng)用也具有廣闊前景。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)微流控芯片的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使其能夠識(shí)別微流控芯片檢測(cè)數(shù)據(jù)中的特征信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)血漿中生物標(biāo)志物的準(zhǔn)確分類和定量分析。在癌癥診斷中，將微流控芯片檢測(cè)得到的血漿生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，模型能夠快速準(zhǔn)確地判斷樣本是否來自癌癥患者，以及癌癥的類型和分期。人工智能算法還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)優(yōu)化微流控芯片的操作參數(shù)，如流速、反應(yīng)時(shí)間等，提高血漿分離和檢測(cè)的效率。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研究圍繞微流控芯片血漿分離展開了多方面的探索與分析，取得了一系列具有重要意義的成果。在原理研究方面，深入剖析了慣性微流原理、介電潤(rùn)濕原理（以數(shù)字微流控芯片為例）以及離心原理（以離心芯片為例）在血漿分離中的作用機(jī)制。慣性微流原理利用微通道內(nèi)流體的慣性力，使血細(xì)胞在特定位置聚焦，實(shí)現(xiàn)血漿與血細(xì)胞的高效分離，無需施加額外外力，具有操作簡(jiǎn)便、高效的特點(diǎn)?；诮殡姖?rùn)濕原理的數(shù)字微流控芯片，通過對(duì)電極施加電壓改變液滴界面張力，精確操控液滴移動(dòng)、合并和分裂，實(shí)現(xiàn)血漿從全血中的分離，為血漿分離提供了一種全新的數(shù)字化、精確化的方法。離心芯片則基于離心力使血細(xì)胞沉降，利用血液中各成分的密度差異實(shí)現(xiàn)血漿分離，其分離過程與傳統(tǒng)離心技術(shù)相似，但在微尺度下進(jìn)行，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在方法與技術(shù)研究上，對(duì)