“新型冠状病毒：蔓延全球的疫情”已然成为世界各地的头条新闻。
新型病毒暴发之后，必须尽早进行流行病学调查和临床调查，而COVID-19的出现更是促使人们迫切需要了解这种病毒的传播模式、严重程度、临床症状和受感染的风险因素。有效的测试不仅能确认人体是否感染了病毒，还能表明疾病暴发的地理位置、程度和传染情况。
多项检测和诊断COVID-19的方法正处于研发阶段，其中一些方法可以专门检测出这种新型病毒；而其他方法则可以检测出基因类似的病毒菌株。最近研发出的一款检测试剂盒采用了基于便携式芯片实验室（lab-on-chip，简称LoC）平台的技术，一次测试就能检测、鉴别并区分MERS-CoV、SARS-CoV和COVID-2019病毒，这款试剂盒集成了两种分子生物学应用：聚合酶链式反应（PCR）和DNA微阵列筛查。传统PCR冠状病毒检测试剂盒需要一天的时间才能得出检测结果，而最新的LoC检测试剂盒只需2小时就能出结果，而且LoC技术可能是研制出强大的新型诊断仪器和即时测试设备的关键。
图1：（a）MEMS；（b）将MEMS集成到了轮胎中用于传感压力；（c）MEMS可作为图像投影和通讯微镜；（d）集成后的MEMS
LoC是在单个集成电路上集成了一个或多个实验室功能的设备。LoC设备是一种微机电系统（MEMS）设备，它起着“微全分析系统”（micro total analysis systems，简称µTAS）的作用，一般来说就是使用微流控原理来控制微量液体。实际上，微流控就是进行微小规模化学实验，模仿自然状态的技术。生物医疗微机电系统（Biomedical microelectromechanical systems ，简称BioMEMS）已发展为MEMS设备的分支，用于生物医疗研究和医疗微型设备中，侧重机械部件和微制造技术。具体应用包括疾病检测、化学监测和药物输送。BioMEMS技术的市场发展速度非常快，很多BioMEMS设备已经上市出售了，大家比较熟悉的就是血糖传感器。基于微流控的LoC技术也具有大规模商业化的巨大潜力。
LoC并不是新技术。实际上，早在20世纪90年代末，随着微型制造技术的发展，行业已经研发出了全自动LoC，用于集成样本制备、流体操作和生化分析。由半导体制造技术衍生出的方法可以将实验协议和分析协议转化为含有互连储液池和路径的芯片结构（图2）。用电动力或压力控制流体流经所选路径，就相当于创建了能够完成操作的阀门和泵，操作包括分配、混合、孵化、反应、样本划分和检测。
图2a和图2b：BioMEMS LoC（来源：HP实验室，1995）
第一款在市面出售的商用LoC产品于1999年问世，用于分析DNA和RNA的生物分子、蛋白质和细胞测定，在全世界范围内售出了7000多台。这款LoC生物分析仪利用样品的试剂和芯片在同一个平台上处理核酸、蛋白质及细胞，并为RNA分析和排序制订了行业标准。集成了化学分析和生化分析的LoC技术在过去十年飞速发展。尽管这项技术主要用于医疗，但其基本技术适用于各种分析功能和监测功能，在逻辑上也符合“联通世界”概念（图2）。
可以用各种各样的材料制造微流控设备——包括玻璃、刚性聚合物和弹性体，可采用的技术有CNC铣切、注塑成型和光刻技术。可用的原材料有硅，因为制造技术是从半导体制造衍生而来，而由于对特定材料性质、降低生产成本和加快样品制造的要求，现在已经研发出了多种替代工艺。行业展示了越来越多的复杂芯片，但因为缺乏成熟的商用制造技术，其中只有很少芯片能够上市。3D打印技术近期成为制造流体设备的替代方法，可能会替代软微蚀刻技术，成为快速制造样品的首选方式。但现有技术却并未统一，尚不能确定哪种工艺和材料最终会被用于大量诊断。
1.电泳法
在电场作用下，相似分子混合物流向不同介质（例如纸、玻璃、啫喱、液体）上液体的电极（阳极或阴极），分离出其中大分子（也就是DNA片段、血液或其他蛋白质）的方法。这种方式曾用于分离和提纯生物分子。每种分子都以不同的速度流经介质，具体速度取决于电荷及其大小，并最终以特有速度流向阳极或阴极（图4）。
流体技术的定制应用与传统精密加工技术相结合，例如湿蚀刻、干蚀刻、深度反应离子蚀刻、溅射、阳极键合和融熔接合等，为各种不同的LoC制造流体动通道、流体传感器、化学检测器、分离毛细管、混合器、过滤器、泵和阀门（图4）。
微通道中的流动是层流式，可以对微通道、阵列或生化反应中的细胞做选择性处理。在同一块基板上集成微电子、微机械和微光学技术，以实现自动设备控制，减少了人为错误和操作成本。
检测器、传感器和电极可以是具有特殊膜或扩散的ChemFET和BioFET C-MOS设备，使其对化学或生物分子敏感。传感器和电极是对各种化学分子或生物分子敏感的电气元件，上面电镀了金、银、铂或钯等以及对应的金属盐（图5）。
图5：P-MOS Bio-FET传感器通道和光电探测器[2]；（a）基准电极；（b）PCB上的银/氯化银镀层；（c）电镀后的PCB [3]。
微流体芯片是蚀刻或模塑在材料（玻璃、硅、或是像PDMS这样的聚合物）上的一组微通道，目的是实现所需的功能（混合、泵压、分类、控制生化环境等）。通过芯片上刺穿的输入（入口）和输出（出口）将微通道形成的网络（微观世界和宏观世界之间的接口）连接到外部。
过去几年，行业已研究出了多种LoC材料。最早的材料是20世纪90年代末的硅，微电子行业研究出了各种精密加工硅（MEMS）的方法，用于制造安全气囊传感器的加速仪。随后，材料又从硅晶圆发展出了玻璃以及之后的聚合物。最近比较流行的是使用PCB和各种纸质材料。
制造LoC时，使用硅和玻璃具有多种优势，但成本也最高。聚合物——特别是PCB，成为了一种新选择，因为各种材料市场可寻，且可实现电子产品与各种打印技术的集成。尽管研究的重心变成了纸质材料，但还刚刚起步。表1列出了每种材料的特性。
最开始用于即时诊断的LoC，其材料是硅。图6展示了市面上刚上市的LoC之一——Agilent 2100生物分析仪系统，可用于进行DNA、RNA、血清蛋白和传染性疾病分析。
图6：Agilent Technology公司自1995年开始就开展生命科学研究。他们研发的“纳米实验室芯片”，可用于分析DNA、RNA、SARS及其他传染性疾病的蛋白[2]
如果不需要使用电气元件和电路，那么玻璃是一种成本较低的材料。可用玻璃制成微通道，并且能和凝胶、涂层等多种物质一起沉积。图7所示的玻璃设备是Agilent 3100 Bioanalyzer Automated LC/MS，该设备具有多种形式，可将化学药品和生物样品分离成微喷射流，以用于液相色谱/质谱（LC / MS）。
图7：使用玻璃微通道LoC序列对医学样品进行微观LC/MS分析[2]
很多聚合物具有光学透明性，可利用荧光反应、紫外/可见光吸收光谱或拉曼光谱法等光学检测技术集成到系统中。而且很多聚合物具有生物相容性，不易发生化学反应，并且对于那些必须使用高电压的应用（例如电泳分离以及聚合物表面的化学物质）是电气绝缘的。这些特性也可根据具体应用调整。Bio-MEMS最常用的聚合物包括PMMA、PDMS、OSTEmer和SU-8。
使用PCB技术又能达到什么目标呢？近年来，建议采用lab-on-printed circuit board，简称LoPCB方法。PCB在全球范围内是发展成熟的行业，已经有标准化的制造工艺和材料，以及生产设备，但都专用于电子应用，现有可能用于LoC，扩大其应用规模。
下面介绍英国巴斯大学电子与电气工程学院高级传感器技术中心研究员Despina Moschou博士。Moschou博士常常在AltiumLive[1]、EIPC会议和ICT会议等印制电路学术活动上发表演讲。她总结了自己及该领域其他人关于LoC和LoPCB µTAS方法的研究成果。
她的早期实验重点关注了PCB生物电极以及与PCB制造兼容的微流控技术。图8展示了一个测试载体。它是FR-4双面板，上面的铜走线和传感器电极都已电镀了金。测试了两种不同的金：一种是软金——使用Metalor R MetGold Pure ATF工艺，电镀了厚度是2.57µm的金层，硬度为90 HV；另一种是硬金，使用Metalor R EnGold 2015CVR工艺，先电镀了一层3.41 µm厚的镍，然后再电镀了2.41 µm厚的金，最终硬度为140 HV–180 HV。
图8：实验性的LoPCB生物感应平台；（a）集成后的LoPCB叠层；（b）电化学阻抗光谱电极配置；（c）商业制造的PCB生物感应平台；（d）样品传输微流体[4]
为了处理易损的微流体，采用了干膜光致抗蚀剂（例如DuPont RistonTM或DFR）。经过恰当固化处理之后，光敏材料的使用寿命可稳定在较长时间，在某些应用中，甚至可以用作光敏粘合剂。可惜的是干膜阻焊剂（DFSM），如DuPont VacrelTM，已购买不到了。薄的FR-4层（200 µm）与50 µm厚的DFR层压在一起，使用标准PCB光刻技术制作出图形，显影并固化2小时，去除任何残留溶剂。随后激光精密加工PMMA膜制成的挠性粘附式覆盖涂层，形成较大的流体供应通道（约5 mm），再叠层层压到FR-4感应层上。
Moschou博士最近的研究成果如图9所示，是一个3层结构的多层实验室，其结构是：
第1层：电镀了铜、银和氯化银的基准层（图5 中的b和 c）
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图9：3层PCB设计，其中一层上有微流体，安装在了干膜光致抗蚀剂（RistonTM）中，配有集成了氯化银和金的电化学传感器[5]
图中还展示了3D部件分解图和镀层。实验测试板证明了此种方案非常成功，所以设计出了完整的LoPCB基板（图10）。这个完全集成的PCB试剂盒（4.6 cm x 5.7 cm）包含了用于控制样品的微流体通道、基准电极和工作电极。可用于衡量检测结核病的生物指标。除了3层结构，试剂盒还包含：
· 6个通道（临床范围内的4个标准曲线点，1个阴性对照和1个样品）
图10：完全集成了微流体、反应腔和传感器的PCB试剂盒[5]
测试证明这款LoPCB非常成功。光学和电化学电极（传感器）提供的数据等同于实验室中测量得到的数据，有时甚至会更加敏感，而且不会出现流体泄漏。
图11：层压前的ELISA LoPCB试剂盒三层结构，完成后的PCB多层结构，
以及准备用于测试生物流体及人类血清的LoPCB[1]
图11所示是此试剂盒在层压前后的三层结构对比。也显示了已准备好用于接受医学流体和人体测试样品的试剂盒。其他研究LoPCB的研究员也做了类似的实验并设计了相似的模块。图12展示了一款便携式微流体稀释器，具有一个变量和可以主动控制的稀释比率，适用于PoC。该试剂盒使用了同一家PCB制造商研发的LoPCB制造技术。设计并制造了包括两个入口和两个出口（图12中的b、c和e）的标准微流体网络（图12a），其中使用功率MOSFET作为加热元件（图12c），可对形成的稀释比率进行热调节 [6]。
图12：基于PCB的主动控制稀释器；（a）带有加热元件和隔热空气间隙的稀释器设计；（b）PCB样品——顶层含有入口和出口通孔；（c）带有功能性电子部分的底层；（d）设备的微流体布局；（e）微流体层的底层[6]
制造工艺现在已经发展到了可以采用FR-4来生产3层板。叠层使用了顶层、中间层和底层。顶层电镀银，如果做了预氯化，上面会有通孔作为伪基准电极。中间层镀金，通孔可用作感应电极，因为酶、抗体、细胞和微生物可固定在金电极表面，成为有效的生物传感器。底层可充当微流体网络，实现了PCB入口和出口通孔的互连。在干膜光致抗蚀剂中形成微通道（图13）。
图13：LoPCB的PCB基主动控制稀释器叠层；（a）部件分解图；（b）沿着微流体通道的剖面图[6]
随着技术的不断发展，为降低设备的总成本，行业会尝试使用越来越多的材料。如表1所示，逐渐引入了纸质材料、陶瓷、聚合物和PCB用于制造这类设备。如今，3D打印技术、打印电子产品（PE）和各种喷墨打印技术都有待降低LoPCB成本、提升更多应用的准确性。
实际上，在2020年3月，美国食品药品监督管理局（FDA）向6家公司颁发了紧急使用授权（EUA），允许他们使用SARS-CoV-2 EUA测试作为获取分子最快的PoC测试方法，用于检测新型冠状病毒（COVID-19）。这6家公司分别是：
Roche Holding AG（3月13日）[7]：该测试使用了Roche公司全自动Cobas 6800和Cobas 8800系统。获得授权以后，使用这2个Cobas系统每月可进行几百万次测试。
Thermo Fisher Scientific（3月14日）[8]：该测试可在Applied Biosystems 7500 Fast Dx Real-Time PCR 仪器上进行，且已进行了优化。目前可用的检测试剂盒已经有1.5万个，TFS有望在4月达到500万个。
Hologic Laboratories（3月16日）[9]：该测试是在自动化的高产出Panther Fusion分子诊断平台进行，3小时之内就能出测试结果，24小时内能进行多达1150次的冠状病毒检测。
Quidel（3月17日）[10]：值得注意的是，其Lyra产品系列（用于检测引起COVID-19冠状病毒的Lyra SARS-CoV-2分析）提供了PCR试剂盒，可用于配备分子检测仪器的实验室，例如Thermo Fisher Scientific公司提供的Applied Biosystems 7500 Fast DX平台。
Laboratory Corporation of America（3月23日）[11]：可以使用Cepheid公司最近推出的GeneXpert系统“ Xpress SARS-CoV-2 Molecular Test”对COVID-19进行现场血清和分子测试，每天最多可进行2万次测试。
Abbott Laboratories（3月27日）[12]：对于结合了ID NOW控制器的集中式实验室环境可在m2000 RealTime Molecular System上进行该测试。5分钟内就可以显示阳性结果，13分钟内能显示阴性结果。Abbott准备每天生产5万台测试设备。
Agilent Technologies公司、Alere Toxicology公司、Acelis Health公司和Sony Micronics公司生产的其他分子PoC测试平台不久之后也将问世。
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