微型流量传感器为诊断提供了新的可能性

作者:Susanne Jungmann,Sensirion公司液体流量产品大客户经理

在医疗诊断领域,近患实验室诊断(即时检测,或称POCT)正继续快速发展。其理念是,检测应尽可能及时进行,最好直接在患者床边进行。对于更复杂的检查,高精度微流控系统是必需的。

POCT一个众所周知的例子是纸条尿液检测。在这些检测中,尿液的不同成分—如红细胞和白细胞、葡萄糖和pH值—会在试纸条的反应性表面上引起颜色变化。通过将颜色图样与参考标尺进行比较,护士就可以确定关于取样尿液中各种物质浓度的定性信息。一个甚至更简单、堪称范例的检测程序是,将一个光学传感器夹在病人指尖,就可以通过皮肤无创地确定血氧饱和度。在这些脉搏血氧仪出现之前,必须采集血样并送至中心实验室进行检测。

更为复杂的检测—例如,某些病毒或细菌的检测—仍然依赖于中心实验室精密的基础设施和专业人员。这类检测往往需要在样本准备或预处理、特殊温度条件或复杂的分析设备方面采取额外的步骤。为了直接在医院患者床边进行这些检测,检测程序必须简化,并尽量减少操作者介入。在理想情况下,整个检测应在一个微流控系统上独立进行;也就是说,整个 "实验室 "被集成在一个芯片上,从而成为一个 "芯片上的实验室"。

微流控POCT

近几十年来,研究人员在微流控领域进行了大量研究,特别是在生物科学领域,目的是实现实验室实验、诊断检测和(生物)化学过程的微型化和自动化。今天,人们已不再用移液管把特定量的液体从一个容器移到另一个容器,而是让液体在一个微流控系统中流经一个歧管的微小通道。这些通道中的液体通常由外部接有流控芯片的泵或压力源来推动。为控制施加的压力或稳定泵所产生的流量,流量传感器被用来测量流量。由于其出色的灵敏度,即使在极低流速下,Sensirion的液体微热质量流量计也为微流控系统中液体流量的精确监测设定了行业标准。

流控系统中的通道尺寸已经大幅缩小到微米范围,液体体积在微升甚至纳升范围。这使得微流控系统能够大幅减少样品和试剂的量,实现更快的反应,从而提高处理量。而流控系统更小的尺寸也意味着更低的成本和更小的设备;这两者是以分散方式直接在医护场所(即:床边、医院同一楼层、或医生诊室)进行检测的必要条件。而这又简化了后勤需要,可以为更好和更有针对性地治疗病人提供更快的结果。

在医疗技术和其他领域可能的应用

商售的微流控POCT装置可用于,比如,检测在心脏病发作诊断时用作生物标志物的蛋白质;其他应用包括分析血液样本以确定红细胞和白细胞的组成及其亚型;在医学技术领域的另一个应用是通过细胞术确定T辅助细胞的浓度,用于监测艾滋病毒携带者/患者的免疫系统;最后,研究人员还在研究如何将分子生物学检测方法(例如,通过DNA来检测耐抗生素的细菌)移植到即时检测系统中;甚至法医基因指纹也可以利用POCT装置来帮助建立。

但其实,微流控技术在临床以外的领域(比如研发和工业过程监控)正发挥着越来越重要的作用。特别是,微生物学在今天的食品和饮料生产领域绝对是至关重要的;微流控技术被用来监测将麦芽发酵成啤酒的酵母细胞的质量,以及牛奶中的细菌种群(它们不得超过某些阈值)。此前都是从生产过程中抽取样品拿到实验室去进行检测;现在,新的微型流式细胞仪可以直接验证单个生产批次,甚至实现生产线的连续监测。

通过精确的流量监测提高性能

由于其起源的关系,微流控技术领域与生物科学及其相关技术(如细胞分拣、细胞操作和DNA分析)密切相关。微流控技术也被用于其他使用液体的微型系统,例如,微型化学反应器和用于便携式能源生产的微型燃料电池。

在所有这些新兴应用领域中,液体流量的精确监测和控制对于设备的可靠运行至关重要。Sensirion的LPG10流量传感器的外形尺寸仅为10 x 10 mm2,在测量极低流量时具有出色的准确度和速度。该传感器由一个平面的微流体玻璃基板组成,可非常紧凑地集成到任何流控系统中。具创新设计的成熟的微热测量方法可测量从每分钟几毫升到每分钟几微升甚至更低的流量。玻璃作为唯一的润湿材料保证了与生物和制药过程的最佳兼容性。该传感器对流体系统中每个相关点的流量进行直接和高精度的测量,当然也包括对常见错误(如堵塞、气泡或泄漏)的可靠检测。

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