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生物芯片
生物芯片這個用語最早出現在基因檢測領域，由美國Affymetrix公司首先使用。圖4是該公司在2003年為羅氏生產的檢測CYP450基因的生物芯片，用于個性化用藥。它是以單晶硅為襯底，通過多層掩膜版的制造過程，在幾十萬個20 μm2的檢測區上合成出不同的基因片段。因為使用了單晶硅硅片，采用了半導體行業常用的掩膜版光刻技術，最后產品外觀和半導體芯片非常類似，故被稱為生物“芯片”。類似技術已經在基因檢測領域大規模使用，但是在免疫檢測領域還沒有產品出現。
圖4 美國Affymetrix公司的CYP450基因生物芯片
理邦的m16磁敏免疫分析儀采用了通過多層納米膜淀積、多層掩膜板光刻等大規模集成電路工藝制造的生物芯片技術。圖5是其示意圖，其中每一個彩色正方形下面是一個由多條亞微米寬的巨磁阻器件構成的檢測區，每個檢測區上修飾有不同的捕捉分子，用來檢測不同的標志物。此示意圖中共有12個檢測區，可以檢測12種不同的生物分子。和Affymetrix芯片最大的不同是，m16生物芯片不僅僅是捕獲被測物質的載體，它還探測被測物質生成的信號。信號通過導線傳輸到儀器上，然后轉換成用戶可以使用的信息。Affymetrix的芯片只是捕獲被測基因的載體，其上產生的熒光信號要通過一個熒光掃描設備來讀取。
圖5 理邦的m16磁敏生物生物芯片示意圖
m16生物芯片的工作原理如圖6所示。首先通過大規模集成電路工藝在硅片上生產巨磁阻 （GMR） 微陣列芯片。GMR芯片有極高的靈敏度、可以檢測到單個納米磁顆粒[6]。硅片切割成單個芯片以后，首先在上面修飾上捕捉抗體。當樣本被加到芯片上以后，其中的被測分子和捕捉分子發生反應、結合。然后加入修飾有檢測抗體的納米磁顆粒，檢測抗體和被測分子結合，形成圖6所示的復合結構。納米磁顆粒作為標記物被GMR器件檢測。在樣本中被測分子含量很低、也即需要高靈敏度的情況下，一個磁顆粒下面只會有一個被測分子。因為GMR器件可以檢測到單個納米磁顆粒，所以這樣一個結構就具有了檢測單個生物分子的超高靈敏度。
圖6 理邦m16磁敏生物芯片檢測原理
m16磁敏生物芯片是微陣列芯片，其上有多個檢測區域，可以同時檢測多種物質。比如，肝功4項、心肌標志物五項、呼吸道感染9項、腫瘤12項等，可以用單個微量樣本在同一個微流體測試卡上得到結果。更重要的是，部分檢測區可以被用來進行實時監測、校準，提高檢測結果的可靠性和一致性。在公式2的討論中我們提到，抗體抗原的最佳反應溫度是37℃，偏離此溫度會使反應速度降低、檢測結果變弱。在理邦m36的芯片上，有兩個溫度偏差校準區和一個反應過程校準區，可以實時校準此項因素。這項技術的另一個直接結果是，測試卡從低溫儲藏室取出后可以馬上進行測試、不需要恢復到室溫，這對急性心梗等需要快速結果的應用非常有利。試劑批次校準區可以校準運輸、儲存、試劑批間差等因素。另外根據需要，還可以在芯片上設計假陽性、假陰性校準，使檢測結果的準確性和可靠性有巨大改進。
圖7 理邦m36磁敏生物芯片應用方案一例
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隨著醫療領域各項技術的發展，尤其是隨著精準醫療、個性化醫療的迅速發展，檢測技術也在兩個方面面臨著挑戰：第一是重復性，第二是靈敏度。對免疫層析技術來講，測試條之間的重復性問題是最大的挑戰，而重復性差的原因很大一部分是因為需要把多種纖薄、脆弱的材料粘貼在一起、同時保證其中液體流動的一致性。為解決這個問題，一些公司在開發新的材料和結構。Whatman公司的Fusion 5 單一薄膜代替了樣品墊、膠體金墊、硝酸纖維素膜和吸水墊[7]。Fusion 5 是一種大孔隙材料，液體在其中的流動速度很快，但是和蛋白質沒有親和性。同時，常規層析免疫產品使用的多次浸潤、干燥過程也不再適用，所以，需要一個完全不同的制造過程。目前市場上使用Fusion 5的產品并不多見。
解決以上所述重復性差的另一個思路是徹底擯棄層析膜以及其他薄膜，采用微流體結構。但是，微流體器件的研發需要機械、流體力學、化學、生物、精加工等尖端技術領域的密切合作，研發時間長，投入大。所以，除了美國Alere 公司的Biosite 產品系列，還沒有其他有影響力的產品出現在市場上。另外，從化學反應的角度出發，化學反應的結果受反應試劑量、反應溫度、反應時間等因素影響，免疫反應也不例外。所以，對微流體的精確控制是進一步改進重復性的關鍵。理邦m16產品實現了對流體的控制。“微”流體的“微”字意味著產品的原材料以及生產過程需要嚴密控制。理邦通過精密注塑來生產合乎要求的零部件。組裝線采用自動化機械手進行組裝，可以實現不大于幾十微米的組裝公差。
美國海軍實驗室的Baselt博士于1997年提出利用磁阻 （magnetoresistance, MR） 器件和磁標記物進行生物分子檢測的概念[8]。因為發現了更加靈敏的巨磁阻 （giant magnetoresistance，GMR） 現象, 法國科學家Albert Fert和德國科學家Peter Grünberg獲得了2007年的諾貝爾物理學獎。