生物芯片這個用語最早出現(xiàn)在基因檢測領域，由美國Affymetrix公司首先使用。圖4是該公司在2003年為羅氏生產(chǎn)的檢測CYP450基因的生物芯片，用于個性化用藥。它是以單晶硅為襯底，通過多層掩膜版的制造過程，在幾十萬個20 μm2的檢測區(qū)上合成出不同的基因片段。因為使用了單晶硅硅片，采用了半導體行業(yè)常用的掩膜版光刻技術(shù)，最后產(chǎn)品外觀和半導體芯片非常類似，故被稱為生物“芯片”。類似技術(shù)已經(jīng)在基因檢測領域大規(guī)模使用，但是在免疫檢測領域還沒有產(chǎn)品出現(xiàn)。

理邦的m16磁敏免疫分析儀采用了通過多層納米膜淀積、多層掩膜板光刻等大規(guī)模集成電路工藝制造的生物芯片技術(shù)。圖2是其示意圖，其中每一個彩色正方形下面是一個由多條亞微米寬的巨磁阻器件構(gòu)成的檢測區(qū)，每個檢測區(qū)上修飾有不同的捕捉分子，用來檢測不同的標志物。此示意圖中共有12個檢測區(qū)，可以檢測12種不同的生物分子。和Affymetrix芯片最大的不同是，m16生物芯片不僅僅是捕獲被測物質(zhì)的載體，它還探測被測物質(zhì)生成的信號。信號通過導線傳輸?shù)絻x器上，然后轉(zhuǎn)換成用戶可以使用的信息。Affymetrix的芯片只是捕獲被測基因的載體，其上產(chǎn)生的熒光信號要通過一個熒光掃描設備來讀取。

m16生物芯片的工作原理如圖3所示。首先通過大規(guī)模集成電路工藝在硅片上生產(chǎn)巨磁阻 （GMR） 微陣列芯片。GMR芯片有極高的靈敏度、可以檢測到單個納米磁顆粒。硅片切割成單個芯片以后，首先在上面修飾上捕捉抗體。當樣本被加到芯片上以后，其中的被測分子和捕捉分子發(fā)生反應、結(jié)合。然后加入修飾有檢測抗體的納米磁顆粒，檢測抗體和被測分子結(jié)合，形成圖6所示的復合結(jié)構(gòu)。納米磁顆粒作為標記物被GMR器件檢測。在樣本中被測分子含量很低、也即需要高靈敏度的情況下，一個磁顆粒下面只會有一個被測分子。因為GMR器件可以檢測到單個納米磁顆粒，所以這樣一個結(jié)構(gòu)就具有了檢測單個生物分子的超高靈敏度。

m16磁敏生物芯片是微陣列芯片，其上有多個檢測區(qū)域，可以同時檢測多種物質(zhì)。比如，肝功4項、心肌標志物五項、呼吸道感染9項、腫瘤12項等，可以用單個微量樣本在同一個微流體測試卡上得到結(jié)果。更重要的是，部分檢測區(qū)可以被用來進行實時監(jiān)測、校準，提高檢測結(jié)果的可靠性和一致性。在公式2的討論中我們提到，抗體抗原的最佳反應溫度是37℃，偏離此溫度會使反應速度降低、檢測結(jié)果變?nèi)酢Ｔ诶戆頼36的芯片上，有兩個溫度偏差校準區(qū)和一個反應過程校準區(qū)，可以實時校準此項因素。這項技術(shù)的另一個直接結(jié)果是，測試卡從低溫儲藏室取出后可以馬上進行測試、不需要恢復到室溫，這對急性心梗等需要快速結(jié)果的應用非常有利。試劑批次校準區(qū)可以校準運輸、儲存、試劑批間差等因素。另外根據(jù)需要，還可以在芯片上設計假陽性、假陰性校準，使檢測結(jié)果的準確性和可靠性有巨大改進。

免疫層析技術(shù)面臨問題及解決方向

隨著醫(yī)療領域各項技術(shù)的發(fā)展，尤其是隨著精準醫(yī)療、個性化醫(yī)療的迅速發(fā)展，檢測技術(shù)也在兩個方面面臨著挑戰(zhàn)：第一是重復性，第二是靈敏度。對免疫層析技術(shù)來講，測試條之間的重復性問題是最大的挑戰(zhàn)，而重復性差的原因很大一部分是因為需要把多種纖薄、脆弱的材料粘貼在一起、同時保證其中液體流動的一致性。為解決這個問題，一些公司在開發(fā)新的材料和結(jié)構(gòu)。Whatman公司的Fusion 5 單一薄膜代替了樣品墊、膠體金墊、硝酸纖維素膜和吸水墊。Fusion 5 是一種大孔隙材料，液體在其中的流動速度很快，但是和蛋白質(zhì)沒有親和性。同時，常規(guī)層析免疫產(chǎn)品使用的多次浸潤、干燥過程也不再適用，所以，需要一個完全不同的制造過程。目前市場上使用Fusion 5的產(chǎn)品并不多見。

解決以上所述重復性差的另一個思路是徹底擯棄層析膜以及其他薄膜，采用微流體結(jié)構(gòu)。但是，微流體器件的研發(fā)需要機械、流體力學、化學、生物、精加工等尖端技術(shù)領域的密切合作，研發(fā)時間長，投入大。所以，除了美國Alere 公司的Biosite 產(chǎn)品系列，還沒有其他有影響力的產(chǎn)品出現(xiàn)在市場上。另外，從化學反應的角度出發(fā)，化學反應的結(jié)果受反應試劑量、反應溫度、反應時間等因素影響，免疫反應也不例外。所以，對微流體的精確控制是進一步改進重復性的關鍵。理邦m16產(chǎn)品實現(xiàn)了對流體的控制?！拔ⅰ绷黧w的“微”字意味著產(chǎn)品的原材料以及生產(chǎn)過程需要嚴密控制。理邦通過精密注塑來生產(chǎn)合乎要求的零部件。組裝線采用自動化機械手進行組裝，可以實現(xiàn)不大于幾十微米的組裝公差。

美國海軍實驗室的Baselt博士于1997年提出利用磁阻 （magnetoresistance, MR） 器件和磁標記物進行生物分子檢測的概念。因為發(fā)現(xiàn)了更加靈敏的巨磁阻 （giant magnetoresistance，GMR） 現(xiàn)象, 法國科學家Albert Fert和德國科學家Peter Grünberg獲得了2007年的諾貝爾物理學獎。

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