自1990年代開發(fā)出第一批商用POCT儀器以來，微流控技術(shù)以卓越的優(yōu)勢受到了越來越多廠商的青睞，尤其在診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。

微流控是流體力學(xué)的一個分支，它是利用基本控制方程研究流體流動的物理過程，是微米級的流體科學(xué)。微流控系統(tǒng)降低了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和規(guī)模，為診斷儀器的發(fā)展提供了強(qiáng)大的工具。

目前，微流控技術(shù)已大勢所趨，也是現(xiàn)代體外診斷行業(yè)技術(shù)的首選。

一次性芯片耗材通常需要以簡單的方式整合復(fù)雜的功能，并且要求體積盡可能小，因此往往采用高精度微流控盒的形式，而這種方式為開發(fā)人員帶來了一些挑戰(zhàn)。下面我們列舉了一些在微流控盒開發(fā)的早期階段提高項(xiàng)目成功率的考慮因素。

設(shè)計(jì)要求

檢測儀器的開發(fā)需要充分了解所用試劑及其性質(zhì)，如粘度、化學(xué)兼容性和所需體積。了解試劑是如何進(jìn)入微流控芯片也很重要。如它們是預(yù)加載到芯片中，還是使用囊泡包裝？包裝類型將影響試劑的儲存性、有效性以及與其他試劑的相互作用。有一些微流控設(shè)備中，冷凍干燥試劑是首選，以避免復(fù)雜的液體處理。

試劑的流體性質(zhì)可確定流體在儲液區(qū)和通道中的移動方式。建議創(chuàng)建分析方案中涉及的特征和過程的詳細(xì)列表，如方案中試劑的數(shù)量、體積、流體性質(zhì)、揮發(fā)性、材料相容性、生物相容性和成分等。同時根據(jù)要求確定驅(qū)動方法，其包括正壓、真空、靜電、超聲波、毛細(xì)管作用或流體泵，如隔膜泵、活塞泵、薄膜泵，甚至蠕動泵等。

驅(qū)動時間和流量是最重要的要求。考慮到微流控工藝是實(shí)驗(yàn)室工作流程的小型化版本，在預(yù)定體積下對每個過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩〞r至關(guān)重要。有一些檢測過程包括每個單元操作的目標(biāo)分析過程，如引入樣品、混合、計(jì)量、培養(yǎng)、預(yù)過濾、分離、分揀、結(jié)合和清洗步驟。我們建議列出所有單元操作，以及相應(yīng)的試劑、體積、過程、時間、流速和其他特定參數(shù)。

在設(shè)計(jì)要求中納入這些考慮因素將指導(dǎo)工程師制定微流控芯片的概念，有效實(shí)施檢測方案，同時確定可制造性和成本。

概念化

在明確要求的情況下，可以起草初步設(shè)計(jì)概念。如果設(shè)計(jì)需要外部組件，如泵、閥門、過濾器、管道、端口、接口等，則必須審查此類部件的規(guī)格，同時考慮其與芯片材料的兼容性以及集成到芯片中的可行性。在大多數(shù)情況下，外部組件驅(qū)動微流控盒的總體尺寸和性能。

初始芯片設(shè)計(jì)的其他關(guān)鍵要素是在芯片內(nèi)部進(jìn)行的單元操作，包括樣品進(jìn)出、試劑儲存、混合、計(jì)量、材料過濾、分析物檢測等。樣品入口和出口對于用戶界面設(shè)計(jì)非常重要。樣本的引入和收集決定了處理芯片的“可用性和人為因素”。操作員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)欠佳的微流控芯片耗材難以使用，或者在某些情況下甚至?xí)霈F(xiàn)各種風(fēng)險。

芯片設(shè)計(jì)中的要素：

微流控芯片中的試劑混合-這包括將生物樣品與其他試劑混合（即溶解、標(biāo)記、重組、稀釋和合并）。芯片內(nèi)的混合可以通過多種方式進(jìn)行，如搖動、磁混合、使用渦流、施加聲壓、材料轉(zhuǎn)移或筒內(nèi)實(shí)施的其他混合技術(shù)。

樣品計(jì)量-這是在微流控盒中實(shí)現(xiàn)最困難的功能之一。由于微流控通道以亞微升的體積處理流體，因此流體計(jì)量的準(zhǔn)確性很重要。在需要精確測量的檢測中，計(jì)量是一個巨大的挑戰(zhàn)。計(jì)量通常分為被動計(jì)量和主動計(jì)量。被動計(jì)量使用預(yù)定的通道和貯存器體積來分配所需的試劑。主動計(jì)量使用傳感器來監(jiān)控分配的量。

材料選擇-預(yù)備芯片聚合物需要在可加工性、生物相容性、可制造性和成本方面進(jìn)行測試。務(wù)必考慮聚合物的性能，如溫度性能、鍵合、穩(wěn)定性和光學(xué)特性，最終選擇取決于分析化學(xué)和生物相容性。可制造性確定最終產(chǎn)品的產(chǎn)量和總成本。

分析物檢測-這對于POCT設(shè)備和臺式設(shè)備尤其必要。在某些設(shè)計(jì)中，光學(xué)透鏡可以集成到芯片中，以便于成像或電子數(shù)據(jù)收集。

裝配工藝

在概念化芯片盒設(shè)計(jì)期間和之后，應(yīng)考慮微流控盒將如何組裝。在小批量生產(chǎn)中，這可能包括激光切割、壓花和微銑削等方法，這些方法可以使用粘合劑或其他粘合技術(shù)進(jìn)行組裝。為了簡化裝配過程，務(wù)必盡早了解裝配工藝。芯片組件中的步驟包括零件制造、清洗和外部組件集成、堆疊和質(zhì)量控制測試。

裝配夾具和固定裝置。裝配夾具和固定裝置是芯片概念化和詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵考慮因素。它們?nèi)Q于各層的尺寸公差，并直接影響多層芯片配置的公差疊加。早期考慮這些因素有助于避免早期原型中的裝配問題陷阱，同時有助于簡化芯片盒設(shè)計(jì)，并在可能的情況下使用更大的通道。

質(zhì)量控制測試。應(yīng)始終對微流控盒的設(shè)計(jì)進(jìn)行質(zhì)量控制檢查，以確保性能的可靠性和可重復(fù)性。這包括在規(guī)定公差范圍內(nèi)檢查尺寸，以及檢查芯片盒功能的壓力衰減測試和流體測試。

組裝試運(yùn)行。組裝工作流的試運(yùn)行提供了在生產(chǎn)單元之前調(diào)試和排除組裝過程中潛在的風(fēng)險，同時通過更改以提高組裝效率。

詳細(xì)設(shè)計(jì)

在芯片盒的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師必須非常了解要使用的制造工藝，并對該工藝進(jìn)行試驗(yàn)和迭代，以建立一套能夠確保制造工藝質(zhì)量的規(guī)則。

芯片盒設(shè)計(jì)的迭代可以在系統(tǒng)化流程中更快地原型設(shè)計(jì)。初步測試可反饋優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)，提供更詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

質(zhì)量檢驗(yàn)和測試

微流控盒通常是一次性使用的。在原型階段早期設(shè)定良好的質(zhì)量控制目標(biāo)有助于確保原型的可靠性和可重復(fù)性，從而提高生產(chǎn)效率。監(jiān)控與芯片盒設(shè)計(jì)相關(guān)的質(zhì)量問題的方法是：

●詳細(xì)的功能質(zhì)量檢查。詳細(xì)檢查芯片特性，如尺寸、表面光潔度、清潔度和外部組件的集成度。初步檢查可用于篩選生產(chǎn)時質(zhì)量控制檢查中的關(guān)鍵特性。

●組件潛在故障模式。在芯片盒原型設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行組裝故障模式分析，以確保芯片盒組裝成功，避免裝配過程中遇到的零件未對準(zhǔn)、由于粘接和外部組件集成不當(dāng)而導(dǎo)致的泄漏問題。

●關(guān)鍵部件檢查和通道剖面圖。根據(jù)詳細(xì)的檢查結(jié)果和設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)確定關(guān)鍵特性，并作為質(zhì)量控制過程的一部分進(jìn)行檢查。使用輪廓儀檢查通道輪廓，以確保表面粗糙度和通道深度在規(guī)范范圍內(nèi)，因?yàn)樗鼈儠绊懶酒械牧黧w流動參數(shù)。

●壓力衰減試驗(yàn)。壓力衰減測試為微流控盒的成功密封設(shè)定基準(zhǔn)。

●流體流動測試。為了評估芯片的性能，在流體流動測試期間使用染色試劑。使用有色水有助于對受試芯片盒進(jìn)行目視觀察，并可非常有效地評估產(chǎn)品的機(jī)械性能。

微流控芯片的開發(fā)是一個復(fù)雜的過程。使用巧妙的方法推進(jìn)開發(fā)過程有助于降低微流控芯片開發(fā)相關(guān)的風(fēng)險，從而提高產(chǎn)品成功率。