用于同时血型鉴定与红细胞压积估算的手动驱动微狭缝门控微流控

《Biosensors and Bioelectronics》：Hand-Powered Micro-Slit–Gated Microfluidics for Concurrent Blood Typing and Hematocrit Estimation

　　

摘要

血液检测对于临床诊断、输血安全和紧急干预不可或缺，血型与红细胞压积（HCT）是两个关键参数。传统方法虽然准确，但需要笨重的仪器、稳定的电力、毫升级样本和熟练人员，这限制了其在分散式或现场诊断中的应用，尤其是在紧急情况或资源受限环境中。这里，我们提出了一种微流控芯片，集成了手动手柄离心机平台（hpFuge），仅需总共3 μL的全血即可同时完成血型鉴定和HCT估计，且无需电力。在通道出口处形成的微缝隙（约7.5 μm）可选择性捕获聚集的红细胞（RBC），从而实现血型鉴定；而红细胞聚集带的长度可作为HCT的定量指标。系统优化了微通道长度、曲率半径和通道深度，确立了提高混合效率、流动稳定性和信号可读性的设计参数。带长与HCT值（10%至60%）呈线性相关，相关系数为。使用21个临床样本进行的验证显示与自动化分析仪具有高度一致性，平均偏差为0.126%，95%一致性界限为-0.63%至0.88%。该检测在1分钟内完成，无需电力或复杂仪器，仅需极少量血液即可提供可靠结果。该便携式且用户友好的平台在具有挑战性的医疗环境中展现出作为实用诊断方案的强大潜力。

引言

血液在人体内持续循环，携带丰富的生理和病理信息（Mora和Mace 2025；Chien等 2025）。即使是少量的血液样本也能产生多个反映个体健康状况的关键指标（Anastasiadi等 2024；Min等 2023；Liao等 2023）。因此，血液检测在患者评估中起着至关重要的作用，特别是在严重创伤导致的大出血或大型手术之前（Rossaint等 2023；Maier等 2024；Zhan等 2025）。在各种血液参数中，血型和红细胞压积（HCT）不可或缺。血型鉴定错误可能导致严重的溶血反应，甚至死亡（Arthur和Stowell 2023；Loriamini等 2024；Chen等 2025）。HCT反映红细胞（RBC）在血液中的比例，是初步健康评估的基本指标（Kim等 2012；Laha等 2022；Laha等 2022）。例如，HCT水平降低可能与贫血、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症或白血病有关（Chengty等 2023），而HCT水平升高则常见于红细胞增多症或脱水（Gangat等 2023）。重要的是，由于输血安全依赖于准确的血型鉴定，输血量的决定通常依赖于HCT水平，因此同时获取这两个参数具有很高的价值（Goodnough等 2013）。此外，HCT已被公认为疾病风险的预后标志物。研究表明，HCT水平高于正常范围的个体更容易发生动脉或静脉血栓（Warny等 2019），这与血液粘稠度增加密切相关。随着红细胞比例增加（例如红细胞增多症患者），血液变得更加粘稠，从而增加了血管阻塞和血栓形成的风险。另一方面，在急性大量失血情况下，组织液迅速转移到血管系统中以维持血容量，导致HCT迅速下降（Ryan等 2012）。因此，实时HCT监测能够快速估计失血量和输血需求，同时为紧急治疗提供关键信息，改善患者生存率（Raasveld等 2023）。

目前，临床实践中HCT测量主要依赖自动细胞计数器（Khodadadi等 2024；Thompson等 2016），这些设备基于两种主要原理运行：电阻抗法和流式细胞术。前者使用电脉冲信号测量红细胞数量和体积，后者通过激光诱导的散射光确定细胞大小和浓度以计算HCT。另一种传统方法是微量红细胞压积离心法（De Smet和Blust 2001），将血液高速离心以分离红细胞和血浆，直接测量体积比以获得HCT。与此同时，血型鉴定在临床实践中也起着关键作用。红细胞表面已鉴定出超过300种抗原，分为30多个血型系统，其中ABO系统最为常见（Daniels等 2004）。目前常规的血型鉴定方法包括柱凝集法和固相技术（Langston等 1999），两者都依赖于抗原-抗体凝集反应，通过将样本与特异性抗体混合来鉴定血型。

尽管这些方法提供了高精度和可靠性，但它们需要笨重的设备、稳定的电源、训练有素的人员和大量血液（>1 mL），限制了其在紧急和资源受限环境中的快速即时检测中的应用。为了应对这一挑战，最近的研究探讨了即时HCT检测方法的开发。一项研究采用了侧向流动免疫检测平台（Frantz等 2020），血液流动由毛细作用驱动通过预处理纸基质，无需电力。通过在纸基质中加入氯化钠和乙二胺四乙酸以模拟血液渗透压，增强了血浆流动，使HCT依赖的红细胞迁移距离产生可测量的红线信号。另一项研究设计了基于声学流控技术的微流控芯片（Petersson等 2018），外部声场控制通道内红细胞和血浆的分离。通过结合显微镜成像与数字图像分析，可在20秒内量化红细胞体积比，实现快速HCT测量。此外，一种混合微流控-离心平台（Thompson等 2016），仅需3 μL血液和智能手机成像，即可在约5分钟内完成HCT测量。尽管设计创新，但这些方法仍存在检测时间长、操作复杂、样本需求量大以及依赖外部电源或专业设备等缺点。

在此，我们提出了一种新型微流控芯片系统，集成了手动手柄离心机平台（hpFuge），仅需3 μL血液即可同时实现血型鉴定和HCT测量，且无需电力。该平台采用化学表面修饰策略在出口处构建微缝隙结构。聚集的红细胞被有效捕获，而非聚集的红细胞通过，从而实现血型鉴定。同时，通过手动手柄以3000 rpm驱动血液至微缝隙区域，芯片盖上的校准标记允许直接测量红细胞柱长度以估计HCT。整个检测可在1分钟内完成，无需专业设备或训练有素的人员。凭借其快速、用户友好且无需电力的操作特点，该系统在紧急护理、资源受限环境和战场应用中展现出强大潜力。

章节片段

hpFuge微流控系统在双重血型和红细胞压积检测中的开发

在本研究中，我们开发了一种微流控芯片系统，集成了hpFuge，能够在资源受限的医疗环境中实现血型鉴定和初步HCT估计的双重功能。该系统使用离心力作为主要驱动机制，允许样品运输和反应，而无需外部电源或主动驱动器（图1A）。鉴于手动设备产生的离心力较低，纳入了蛇形微通道以延长红细胞停留时间，

结论

在本研究中，我们开发并验证了一种手动手柄、无需电力的微流控芯片，能够仅从指尖刺血样本中同时完成血型鉴定和HCT估计。通过利用手动平台产生的离心力和微缝隙门控结构，该系统有效地分离了聚集和非聚集的红细胞，同时产生可解释的聚集带，定量反映HCT。

使用患者进行的临床验证

CRediT作者贡献声明

Yuh-Shiuan Chien：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理。Ping-Yeh Chiu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理。Chun-Yen Chang：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理。Chien-Fu Chen：写作-

未引用参考文献

Spivak, J.L.J.B., The Journal of the American Society of Hematology, 2002.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可从通讯作者处合理请求获得。

竞争利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

本研究由台湾国家科学和技术委员会（115-2640-E-002-011、114-2640-E-002-007、114-2640-B-002-005、112-2221-E-002-140-MY2和115-2221-E-002-117-MY3）以及台湾大学高等教育萌芽计划（114L7816）支持。作者感谢台湾大学半导体加工与系统研究中心提供微流控器件制造和实验表征方面的协助。

Yuh-Shiuan Chien|Chun-Yen Chang|Ping-Yeh Chiu|Chien-Fu Chen

台湾大学应用力学研究所，台北 106，台湾