综述：从原型到临床应用：用于大规模生物医学应用的数字微流控技术

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：From Prototype to Point-of-Care: Digital Microfluidics for Scalable Biomedical Applications

　　丹尼尔·J.A.多斯桑托斯|达尼安妮·K.达席尔瓦|拉里萨·G.贝拉斯科|理查德·P.S.德坎波斯|温德尔·K.T.科尔特罗
巴西戈亚斯联邦大学化学研究所，74690-900，戈亚尼亚，戈亚斯州

**摘要**
数字微流控技术作为一种强大的平台，可用于实现生物医学检测的自动化与微型化，从而实现高精度、小体积的操作流程。然而，该技术从研究实验室向工业化生产过渡的过程中面临着诸多障碍，包括需要较高的驱动电压、材料降解问题、缺乏标准化以及多种检测系统集成上的复杂性。本综述探讨了近期在传感器整合、混合器件架构以及可编程控制器应用方面的进展，旨在提升数字微流控技术的可靠性、便携性及可扩展性。文章重点强调了工程学、材料科学与诊断技术之间的跨学科协作，以克服制造难题、推动实际应用，并使数字微流控技术成为临床诊断和即时检测领域的可行技术。

**引言**
近几十年来，数字微流控技术已成为临床诊断领域的重要技术，尤其在即时检测方面表现突出[1]。该技术通过向涂有疏水介质层的电极施加电势，能够在微升到纳升级别的工作体积内实现精确、可控的液滴操控[2]。这种微型化且高度集成的设计优势在于：分析速度更快、样品与试剂消耗显著减少、复杂操作流程的自动化程度更高、成本大幅降低，且相比传统实验室方法具有更高的运营效率。

此外，人工智能算法在解读数字微流控技术生成的数据方面的应用，进一步提升了分析的稳健性与可靠性。这类计算工具降低了对高技能人才的需求，同时也减少了额外的数据处理工作，从而使数字微流控技术更适用于资源有限的场景[3]。从工程角度而言，要实现数字微流控技术在工业领域的大规模应用，还需解决诸如在电极矩阵上制备坚固的介质层和疏水层、实现模块化接口标准化、整合光学与电子传感器以及扩大生产规模等问题。因此，长期的运行稳定性对于确保产品的可靠性至关重要[4]。

为应对这些挑战，人们提出了将数字微流控技术、单板计算机以及电化学检测模块相结合的“一体化”设计方案[5]。通过这类组合，可在基础设施较为有限的条件下实现有效的解决方案，进而实现诸如阻抗谱监测等复杂过程的自动化。这一进展有助于推动数字微流控技术的分散化应用及更广泛的普及[6]。

尽管数字微流控技术在自动化、微型化及降低成本方面具有明显优势，但其临床应用仍然十分有限，这与那些已广泛应用但往往价格更高的传统技术形成了鲜明对比[7]。造成这一差异的原因不仅在于成本，还在于技术成熟度。诸如核磁共振仪器这类技术已经获得了监管认可、完善的操作流程，并且能够顺利融入常规实验室工作流程中[8]。而数字微流控技术虽然前景广阔，但在标准化、材料耐用性以及与工业流程的兼容性方面仍面临诸多挑战。因此，其进一步发展更多依赖于建立监管信任、确保运行稳定性以及实现与现有临床实践的整合，而非单纯的功能创新[9][10]。

本综述分析了当前阻碍数字微流控技术从实验室走向工业应用的种种问题与挑战，指出了其商业化及临床应用所面临的主要障碍，并探讨了该技术作为医疗诊断核心技术的未来前景。

目前，数字微流控技术的商业化发展主要集中在基于介质上的电润湿装置上，这一领域既展现了巨大的商业潜力，也存在着诸多阻碍其工业化的因素。某些操作与制造特性对于数字微流控平台的使用至关重要，它们决定了该技术从原型开发向实际即时检测应用的过渡路径。图1展示了其中一些关键特性。

最初，数字微流控技术是由大学和研究机构开发的。后来，康宁、亚马逊以及Illumina等跨国公司也开始关注这项技术，将其应用于从液体透镜到分子诊断等多种领域。尽管有一些装置获得了监管批准，但其可靠性问题依然存在。虽然得益于材料和设备方面的进步，基于电润湿技术的光学应用已能够承受数百万次的驱动循环，但用于生物样本处理的数字微流控装置在面对复杂的生物基质时，其介质层和疏水层仍容易过早老化。尽管数字微流控技术已被作为一种多功能分析平台，能够在一台设备中完成样品预处理、分离与检测等功能，如图2所示，但要实现工业级的应用，仍需解决与制造和操作相关的一系列问题[12]。

图2展示了一种用于自动处理和转移蛋白质组样品的数字微流控系统配置示例。该系统采用常见的双板结构——上下两块板用于限制液滴的运动。下板装有驱动电极、介质层以及疏水层，而上板则是一个透明的、表面涂有疏水材料的氧化铟锡电极，用作对电极。这两块板之间由隔片分隔，形成了液滴在电极阵列上移动的工作空间。不过，该系统还进行了特定的改进：上板上设有微孔，便于在处理完成后抽取样品，这也是该系统中的一个重要结构元素。此外，该平台还配备了数字微流控自动进样器，该进样器由3D打印而成的导管构成，可将数字微流控装置与进样针精准对齐，从而直接将样品吸入色谱系统的进样环中。这样一来，在整个进样过程中，进样针始终与导管保持接触，毛细管针会伸出，进而将液体从数字微流控装置吸入分析系统。这个示例系统结合了传统的数字微流控液体处理方式、定制化的装置设计（如上板的微孔结构），以及与外部分析系统相连的辅助设备，充分体现了根据不同应用需求所带来的装置制造与操作标准化方面的挑战。

随着生物医学应用越来越复杂，数字微流控技术必须能够高效、可重复地处理血液和体液等复杂样本，同时尽可能减少交叉污染。此外，另一个关键限制在于，基于电润湿技术的装置通常需要较高的驱动电压，一般在数十伏到数百伏之间，这不仅会增加能耗，还会阻碍微型化发展，加速电极的老化[13]。使用聚合物薄膜等新型介质材料，不仅可以降低电压需求，还有可能为大规模生产提供可行的方法[14]。另外，采用表面活性剂或油基介质的数字微流控系统，由于能减少生物污渍的产生，从而提升了装置的稳定性，而生物污渍是旧款数字微流控装置出现故障的最常见原因之一。不过，这类系统的应用也带来了额外的要求。例如，通常会使用浓度为0.1%（体积比）的Tetronic 90R4这类表面活性剂，这是一种被广泛认可的用法。但使用时仍需先制定试剂混合方案，再将混合后的试剂加入装置中，这不仅增加了样本处理环节的复杂性，也引入了非自动化的操作步骤。目前已有部分研究试图优化样品向数字微流控系统的输送方式，比如使用膜过滤器等手段[15]，但这些方法由于需要在设计中加入过滤材料，反而增加了装置的制造和组装难度。

另一方面，油基数字微流控系统虽已在商业领域得到应用[16]，它能够在保持装置结构简单的同时引入新的反应介质，但这些介质需要被注入装置内部，这可能导致分析物在不同相之间发生分配，进而影响装置的重复使用效率，有可能增加分析成本。因此，由于材料复杂性以及数字微流控装置的技术要求，学术界的创新成果与工业界的实际应用之间仍存在较大差距。此外，芯片制造过程中的标准化问题以及对高电压驱动的依赖，也进一步延缓了该技术的工业化进程。

除了与生物样本处理相关的潜在优势与挑战之外，数字微流控技术的多功能性及其与各种检测方法的兼容性，使其成为一种强大的分析和临床检测工具。不过，不同的应用场景又会带来不同的挑战。事实上，数字微流控技术已与多种检测技术实现了整合，这些检测技术既包括核磁共振、质谱仪等大型台式仪器[17][18][19]，也包括电化学传感器、比色检测系统以及基于距离的读取装置等更为紧凑的选项[20][21][22]。其中，光学检测方法因其能与常用于监测微流控操作的显微镜系统无缝集成，而应用最为广泛。然而，尽管光学检测方法十分普遍，但它往往需要体积庞大、价格昂贵的仪器，且试剂消耗量较高，这限制了其在即时检测和资源有限的环境中的应用。电化学传感器由于具备类似的制造工艺，因此很适合与数字微流控技术结合使用。不过，集成后的装置通常需要外部电极接入，还需要对装置结构进行改造，同时传感器的功能设计也需要与装置中的各层材料相匹配[23]。核磁共振检测则要求装置在强电磁场环境中工作，而样品的离子化条件往往又限制了其与质谱技术的结合。无论选择哪种检测技术，可靠的装置集成以及标准化的架构依然是技术发展的瓶颈。这些问题都会影响产品的稳定性和重复性，因此亟需采取跨学科的方法，将这项技术的分析能力与工业需求更好地结合起来[24]。此外，当尝试将数字微流控技术整合到诸如Simoa这样的超高灵敏度数字免疫分析系统中时，会发现灵敏度与可制造性之间存在矛盾。例如，要获得高灵敏度往往需要尽量减少磁珠的使用量，但要在封闭的液滴中对如此少量的磁珠进行精准操控，却需要强大的磁场以及经过优化的结构设计，而这些参数目前仍难以实现稳定的规模化应用[25]。

不过，文献中也有一些研究致力于解决这些分析方面的挑战，其中包括针对制造一致性、采样方法以及传感器集成等问题提出的解决方案。例如，有研究提出了适用于卷对卷加工的低成本数字微流控制造方法[26]，还有研究致力于提升电极阵列的制造质量[27]，以及开发可直接在现场使用的便携式检测仪器[28]，同时也有研究着眼于优化防污表面活性剂的使用效果[29]，此外还有许多关于传感器集成方法的研究[1][2][3]。

这些都是朝着提高技术可扩展性及推动其更广泛应用迈出的重要步伐，它们表明，阻碍数字微流控技术从实验室走向工业化生产的原因十分多样，涉及材料与制造工艺、自动化新理念、检测技术整合以及监管合规等多个方面。要充分发挥数字微流控技术在临床诊断、生物制药生产以及大规模环境监测领域的潜力，就必须有效解决这些挑战。

**章节节选**
**数字微流控技术在生物医学检测中的多功能性**
数字微流控技术之所以有望得到更广泛的应用，是因为它在众多研究领域都展现出出色的多功能性，同时也有大量成功的实际应用案例。其多功能性主要体现在三个相互关联的方面：单个数字微流控装置所能处理的生物样本类型（如血液、唾液、尿液和组织等）、可检测的分析物类别（包括核酸、蛋白质、酶类以及小分子物质等），以及与之兼容的检测方法。数字微流控技术的主要优势包括……

**数字微流控技术的实际应用**
在分子检测[57]和血清学检测[58]等领域，数字微流控技术已显著推动了常规疾病诊断的发展。该技术的高度灵活性使得人们能够根据不同的样本类型和复杂程度，设计出包含多种检测方法的定制化方案。表1列举了一些双板式数字微流控装置以及多种用于分析应用的检测配置示例。

尽管目前数字微流控技术尚未实现大规模生产，但……

**结论**
数字微流控技术正在逐渐成为临床诊断及即时检测领域中实现分析自动化的有力技术平台。然而，该技术要从实验室走向工业化生产，仍面临着诸多障碍，包括较高的驱动电压、材料降解问题、生物污渍现象以及缺乏标准化等问题。近年来，人们已经采取了多种策略来克服这些限制，比如开发成本更低的制造方法、整合多种检测功能等。

**CRediT作者贡献说明**
理查德·P.S.德坎波斯：撰写——综述与编辑、验证、方法学、研究实施。
拉里萨·G.贝拉斯科：撰写——初稿、可视化、方法学、研究实施、正式分析、概念构建。
达尼安妮·K.达席尔瓦：撰写——初稿、可视化、方法学、研究实施、正式分析、概念构建。
丹尼尔·J.A.多斯桑托斯：撰写——初稿、可视化、方法学、研究实施、正式分析、概念构建。
温德尔·K.T.科尔特罗：……

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢CNPq（项目编号406309/2025-6和308136/2025-0）、INCTBio-LK（项目编号408338/2024-5）以及巴西石油公司（项目编号2024/00142-4和2024/00029-3）所提供的财政支持及奖学金资助。