血液是在人體內(nèi)全身循環(huán)流動(dòng)的組織液體，主要由血漿和血球所組成，血球主要由白血球、紅血球及血小板等三種細(xì)胞組成，血漿內(nèi)則含有各種蛋白質(zhì)、抗體、激素等代謝產(chǎn)物。當(dāng)人體產(chǎn)生任何生理變化或是疾病產(chǎn)生時(shí)，血液中的成分都可能產(chǎn)生變化，因此血液成分的檢測(cè)能提供人體狀態(tài)的重要即時(shí)資訊。然而傳統(tǒng)醫(yī)院檢驗(yàn)科的血液檢測(cè)往往需要漫長(zhǎng)的排隊(duì)等待抽血，檢驗(yàn)結(jié)果亦需要數(shù)日后才能得到，不僅醫(yī)院檢測(cè)耗力費(fèi)時(shí)，病患亦無(wú)法得到即時(shí)且有效的照護(hù)。為解決上述問(wèn)題，研究人員提出傳統(tǒng)廣泛用于航太、汽車(chē)工業(yè)、消費(fèi)性電子產(chǎn)業(yè)的微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-ElectroMechanical-System,MEMS）制作微小化的生物芯片，使其可直接在芯片上進(jìn)行快速、多功能的血液成分檢測(cè)。此類(lèi)利用微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)所制作的生物芯片稱(chēng)之為實(shí)

驗(yàn)室芯片（Lab-on-Chip），其字面上的意思就是可將標(biāo)淮生化實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所需要的樣本處理步驟、檢測(cè)儀器及人員操作步驟都整合在一片單手就可拿起的生物芯片。此概念聽(tīng)起來(lái)很神奇，但實(shí)驗(yàn)室芯片本身需整合許多複雜的微型流道結(jié)構(gòu)和檢測(cè)功能。目前最具代表性的實(shí)驗(yàn)室芯片為世界各國(guó)大學(xué)及研究單位皆積極發(fā)展的生物微流控芯片系統(tǒng)。微流控芯片內(nèi)整合了運(yùn)用分子生物學(xué)、分析化學(xué)等生物技術(shù)的樣本處理、標(biāo)定、生物標(biāo)志（Biomarker）反應(yīng)；需要精密加工技術(shù)制作的微型化流道、感測(cè)器系統(tǒng)，進(jìn)行少樣本需求、快速、平行且高精度的生化反應(yīng)量測(cè)。

1.微流控芯片用于血液檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

使用微機(jī)電加工技術(shù)所制作之微流控芯片，可把傳統(tǒng)生化反應(yīng)所需之離心、過(guò)濾等樣本前處理步驟；樣本混合、反應(yīng)、感測(cè)等功能整合在一數(shù)平方公分的芯片上。隨著整體芯片體積縮小，可較傳統(tǒng)生化檢測(cè)方式需要較少的血液樣本量，此外反應(yīng)時(shí)間亦可隨著檢測(cè)體積縮小而縮短，使醫(yī)生或檢測(cè)人員能更快得到量測(cè)結(jié)果。此外微流控芯片可針對(duì)不同疾病的血液檢測(cè)方式，設(shè)計(jì)抓取、集中特定的血球組成或血漿內(nèi)的抗體、抗原、蛋白質(zhì)等成分。舉例來(lái)說(shuō)，醫(yī)生可藉由病患體內(nèi)紅血球或白血球的數(shù)目來(lái)判斷免疫系統(tǒng)的狀態(tài)；此外，在進(jìn)行藥物治療或是診斷時(shí)也可透過(guò)量測(cè)血漿中的蛋白質(zhì)產(chǎn)物來(lái)了解治療的成效。為了提升檢測(cè)的準(zhǔn)確度，血球和血漿分離之純度是生化檢測(cè)中一個(gè)重要的生物樣本前處理步驟，傳統(tǒng)的血球血漿分離往往使用高速離心機(jī)，雖具備快速、高純度的分離效果，但往往需要較多的血液樣本量（>1Ml），對(duì)于一些血液樣本較不易取得的病患，如老人或嬰兒，處理起來(lái)較為不便。微流控芯片由于流道的體積較小，較易處理少量之血液樣本分離。此外使用微機(jī)電制程制作如微孔洞透模、微溝槽或微分支管道之微流控芯片亦可進(jìn)行高純度之血球血漿分離。

2.微流控芯片用于血漿樣本檢測(cè)

微流控芯片除上述具備少量、快速且高純度的血液樣本前處理功能外，亦可整合不同的感測(cè)機(jī)制，如光學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)等技術(shù)，進(jìn)行即時(shí)的血球或血漿含量檢測(cè)。舉例來(lái)說(shuō)，血漿中的蛋白質(zhì)、抗體、抗原一直為疾病診斷時(shí)的重要參數(shù)，傳統(tǒng)檢驗(yàn)血漿中感興趣目標(biāo)物最常使用的方式為酵素免疫分析法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA），此技術(shù)利用特定抗體抗原的專(zhuān)一性鍵結(jié)，進(jìn)行目

標(biāo)物檢體檢測(cè)。當(dāng)有特定的抗原和附著于表面的抗體鍵結(jié)時(shí)，配合酵素產(chǎn)生之呈色反應(yīng)來(lái)推測(cè)欲量測(cè)抗原的濃度。此種檢測(cè)方式具有高分辨率（selectivity）、高精度（sensitivity），可廣泛的使用于全血樣

本中血漿內(nèi)含量之免疫分析反應(yīng)，然而傳統(tǒng)的酵素免疫分析法由于單次使用檢體體積較多，因此固定血液體積內(nèi)可量測(cè)的抗體抗原種類(lèi)將受到限制。此外酵素免疫分析法由于需要複雜的血液處理及分析反應(yīng)操作步驟，通常需 8-24 小時(shí)的處理和量測(cè)時(shí)間，因此量測(cè)結(jié)果無(wú)法提供醫(yī)生進(jìn)行即時(shí)且有效率的治療。為解決上述問(wèn)題，加州理工學(xué)院的 J. Heath 教授之研究團(tuán)隊(duì)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勻之剪力和壓力分布，流往流速較快、壓力較小的管道特性（zweifach-fungeffect），直接將血球血漿在微流控芯片內(nèi)部分離。血漿流往主要管徑旁微分支管，其內(nèi)部成分和微分支

管表面上高密度涂佈的 DNA- 抗體探針結(jié)合，如此可在數(shù)微升等級(jí)的血液樣本中，量測(cè)癌癥病患血液中多達(dá)十馀種的細(xì)胞激素（Cytokine）。此技術(shù)利用血液在微流道流動(dòng)時(shí)特殊的流體特性達(dá)成血球血漿分離，大量降低所需血液的樣本體積和檢測(cè)時(shí)間。

圖1 整合式微流控芯片可進(jìn)行血球血漿分離及細(xì)胞激素之檢測(cè)

3.微流控芯片用于血球樣本檢測(cè)

另外一種微流控芯片用于血液檢測(cè)的例子為血球數(shù)目、類(lèi)型或狀態(tài)的即時(shí)觀(guān)測(cè)。舉例來(lái)說(shuō)，白血球數(shù)目為一用于判斷人體體內(nèi)疾病重要的參數(shù)，如白血病。白血病為血液中不成熟白血球異常增生的疾病，計(jì)算白血球個(gè)數(shù)即為主要判斷白血病之方式。另一個(gè)例子為人體免疫缺陷病毒（HIV），俗稱(chēng)愛(ài)滋病毒，其病毒會(huì)感染血液中之 CD4+ 白血球細(xì)胞，造成人體免疫系統(tǒng)殺死體內(nèi)的 CD4+ 白血球細(xì)胞，此類(lèi)疾病可藉由計(jì)算血液中 CD4+ 之白血球數(shù)目判斷。另外如要監(jiān)測(cè)洗腎患是否發(fā)生發(fā)炎反應(yīng)亦可藉由量測(cè)腹膜透析液內(nèi)之白血球數(shù)目。雖然目前細(xì)胞流質(zhì)儀（Flow cytometry）或細(xì)胞計(jì)數(shù)器（Hemocytometer）已廣為用于白血球個(gè)數(shù)的量測(cè)，然而這些儀器在白血球數(shù)目過(guò)少時(shí)（<300cells/uL）并無(wú)法得出準(zhǔn)確的讀值，此外亦需要繁瑣的樣本制備流程，無(wú)法對(duì)于早期的疾病狀態(tài)或是發(fā)炎癥狀提供準(zhǔn)確且即時(shí)之診斷。有鑑于此，密西根大學(xué) K. Kurabayashi 教授之研究團(tuán)隊(duì)提出一多孔洞結(jié)微過(guò)濾薄膜之微流控芯片進(jìn)行微量之白血球計(jì)數(shù)監(jiān)測(cè)。此微流控芯片架構(gòu)如圖二(a) 所示，由三層聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）的高分子有機(jī)硅化合物之微結(jié)構(gòu)所組成，中間的 PDMS 層使用微納米制程制作之多孔洞微過(guò)濾薄膜捕捉血液中之白血球細(xì)胞。由于流入微流控芯片之白血球細(xì)胞（10-20um）較孔洞尺寸（4-8um）來(lái)的大，因此流入微流道之白血球細(xì)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 材料制作，能直接使用光學(xué)影像之方式即時(shí)觀(guān)察白血球細(xì)胞在芯片內(nèi)分布的狀況，如圖二 (c) 所示。此微透?？锥闯丝梢烙^(guān)察不同白血球種類(lèi)之尺寸調(diào)整孔洞大小，亦可搭配使用尺寸較大之聚苯乙烯微球（30-50um）附著特定的細(xì)胞表面蛋白（CD4+、CD8+、CD14+）捕捉血液中特定的免疫細(xì)胞子群，如淋巴球細(xì)胞（Lymphocytes）、中性體細(xì)胞（Neutrophils）、巨噬細(xì)胞（Macrophages）等達(dá)到高純度的特定種類(lèi)的白血球計(jì)數(shù)。此類(lèi)的白血球計(jì)數(shù)微流控芯片由于體積小，操作簡(jiǎn)易，將來(lái)亦可搭配手機(jī)系統(tǒng)內(nèi)之照相機(jī)元件及影像處理軟體就細(xì)胞的尺寸和形狀進(jìn)行細(xì)胞的計(jì)數(shù)及分類(lèi)，成為便于使用之可攜式血球樣本檢測(cè)平臺(tái)。

圖二 多孔洞結(jié)微過(guò)濾薄膜之微流控芯片 (a) 流流控芯片示意圖 (b) 實(shí)際微流控芯片照片及使用電子掃描顯微鏡（SEM）所拍攝之微過(guò)濾薄膜孔徑圖 (c) 使用分析軟體進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)示意圖

4.微流控芯片應(yīng)用于定點(diǎn)照護(hù)

定點(diǎn)照護(hù)（Point-of-care）是近年來(lái)生物微流控芯片領(lǐng)域時(shí)常提及之應(yīng)用，主要的定義為病人不需在具有先進(jìn)完備醫(yī)療設(shè)備或是受專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練醫(yī)護(hù)人員的環(huán)境下即可進(jìn)行簡(jiǎn)單的生物檢測(cè)，判斷可能產(chǎn)生疾病的風(fēng)險(xiǎn)。這樣的檢測(cè)一來(lái)可使患有長(zhǎng)期慢性病的病人自行在家中進(jìn)行簡(jiǎn)單的疾病狀態(tài)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象時(shí)再前往醫(yī)院進(jìn)行就醫(yī)，如此可減低醫(yī)院及病患所需耗費(fèi)之醫(yī)療人力及時(shí)間成本。另一方面的應(yīng)用則為使用生物微流控芯片于醫(yī)療資源較為不足的環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)易的疾病檢測(cè)。如哥倫比亞大學(xué)的 S. Sia 教授之研究團(tuán)隊(duì)，就使用此類(lèi)型的微流控芯片進(jìn)行 HIV 的檢測(cè)。此類(lèi)應(yīng)用于定點(diǎn)照護(hù)之微流控芯片大多為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的芯片，讓使用者易于操作，另外芯片的制作成本亦需較為低廉，使其為可拋棄式，避免可能造成之樣本污染。最后若要更進(jìn)一步簡(jiǎn)化其操作步驟，此類(lèi)芯片最好設(shè)計(jì)無(wú)須任何流體幫浦即可自動(dòng)運(yùn)送流體樣本至檢測(cè)區(qū)域，使其可以隨時(shí)隨地進(jìn)行檢測(cè)。接下來(lái)將介紹兩種此類(lèi)

無(wú)需外部壓力來(lái)源即可用于定點(diǎn)照護(hù)之環(huán)境之微流控芯片。

5.真空處理的微流控芯片

微流控芯片結(jié)構(gòu)大多使用 PDMS 材料制作，因其成本低，制程簡(jiǎn)便快速，具高透光性和生物相容性，因此被廣泛的使用。然而傳統(tǒng)之 PDMS 微流控芯片多需要外加壓力來(lái)源推動(dòng)流體，對(duì)于定點(diǎn)照護(hù)之環(huán)境下較不方便。為解決此問(wèn)題，加州大學(xué)的 L. P. Lee 教授之研究團(tuán)隊(duì)利用PDMS 材料具透氣性的特性，預(yù)先將要進(jìn)行量測(cè)之微流控芯片抽真空，并在使用前密封包裝芯片。當(dāng)要進(jìn)行血液檢測(cè)時(shí)，再將密封之芯片打開(kāi)滴入血液樣本。如圖三 (a) 所示，由于芯片之 PDMS 材料內(nèi)壓力較低，便會(huì)吸取血液中的空氣進(jìn)而帶動(dòng)流體前進(jìn)。此芯片主要目的為量測(cè)血漿中之蛋白質(zhì)，因此在檢測(cè)區(qū)域前端設(shè)計(jì)一使沉積過(guò)濾掉血球之溝槽，得到高純度之血漿進(jìn)行檢測(cè)。

6.紙做的微流控芯片

相較于 PDMS 等其他材料，紙一直是一種易取得、低成本、具生物相容性，且具備毛細(xì)作用的功能，無(wú)須外在的壓力來(lái)源即能直接運(yùn)送流體。最常見(jiàn)用紙做的生物芯片就是驗(yàn)孕試紙，藉由尿液中糖蛋白激素（Human chorionic gonadotropin，hCG）和試紙上的生物標(biāo)志物產(chǎn)生反應(yīng)，造成顏色變化來(lái)判斷是否懷孕。雖然此類(lèi)檢測(cè)試紙很簡(jiǎn)單且使用方便，但無(wú)法精確控制流體方向、流速、反應(yīng)時(shí)間等，因此無(wú)法使用在需較複雜處理步驟之生化反應(yīng)檢測(cè)。2008 年，哈佛大學(xué)的 G. Whitesite 教授之研究團(tuán)隊(duì)成功在紙質(zhì)基材上進(jìn)行光阻涂布、曝光、顯影等標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)電制程，成功制作世界上第一個(gè)紙做的微流控芯片。藉由上述步驟制作材質(zhì)為紙的微流控芯片，可以改變流道寬細(xì)來(lái)控制流速，亦能在芯片不同位置上標(biāo)定多種對(duì)應(yīng)于特定蛋白質(zhì)抗原之抗體，藉由表面顏色的改變判斷檢體中是否含有待測(cè)之目標(biāo)物，由于微機(jī)電制程能制作精密且複雜的流道結(jié)構(gòu)，大幅提升紙類(lèi)微流控芯片的應(yīng)用范圍。另一個(gè)例

子為杜蘭大學(xué) S. S. Shevkoplyas 教授之研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)之微流控芯片。其量測(cè)方式為將待測(cè)之全血樣本滴在芯片的正中心，其芯片表面已預(yù)先涂布可使紅血球細(xì)胞凝結(jié)成團(tuán)之化學(xué)物質(zhì)和全血樣本混合，使紅血球凝結(jié)沉積于中心區(qū)域，唯有血漿能藉由毛細(xì)作用擴(kuò)散至四周，和表面的抗體反應(yīng)完成檢測(cè)，此紙做的微流控芯片可同時(shí)達(dá)到血液樣本處理和血漿內(nèi)蛋白質(zhì)檢測(cè)的功能，大幅降低血液樣本檢測(cè)之時(shí)間與複雜度。紙做的微流控芯片另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為芯片的保存和處理皆較為方便，只要使用燃燒的方式就能處理掉，對(duì)于一些檢測(cè)物可能帶有傳染源的生物芯片來(lái)說(shuō)至為重要，可減低操作人員在醫(yī)療防護(hù)較為不良的環(huán)境下受到感染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖三 (a) 真空處理的微流控芯片 (b) 紙做的微流控芯片，上述兩種芯片皆能即時(shí)分離血球血漿，進(jìn)行血漿內(nèi)蛋白質(zhì)檢測(cè)

整體來(lái)說(shuō)，使用于血液樣本檢測(cè)的微流控芯片能提供更詳細(xì)的人體資訊。其微小化的流體體積不但能簡(jiǎn)化及縮短生化反應(yīng)所需之時(shí)間，將來(lái)亦能用于遠(yuǎn)端醫(yī)療等定點(diǎn)照護(hù)之應(yīng)用，降低病患前往醫(yī)院就醫(yī)所需之醫(yī)療成本，雖然和制藥產(chǎn)業(yè)或是醫(yī)療器材等相關(guān)生物領(lǐng)域相比，微流控芯片尚屬于學(xué)界中的研發(fā)階段，但以臺(tái)灣在電子半導(dǎo)體 IC 產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于高精度、低成本之微流控芯片研制較世界上其他國(guó)家具有極大優(yōu)勢(shì)，相信在政府、學(xué)界及產(chǎn)業(yè)界密切合作下，投入大量人力及設(shè)備等資源，必能擴(kuò)展微流控芯片于生殖醫(yī)學(xué)檢測(cè)之應(yīng)用并邁向?qū)嶋H商用化的一天。（文章譯自：黃念祖-臺(tái)大電機(jī)系科普系列 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）