一、傳染病檢測需求與微流體技術優勢

COVID19、猴痘等傳染病嚴重影響著全球人民的健康。能快速且精準的辨識出傳染性病原體的檢測技術，不僅能即時給予患者必要之治療，並可防止傳染蔓延，以減少社會經濟損失。然而，目前主要的傳染性疾病檢測方法，尚無法滿足快速且精準之需求，例如: 聚合酶連鎖反應(PCR)儘管具有高準確性、靈敏度高之優勢，但其檢測時間長，價格昂貴，且需要專業的人員操作；快篩雖然快速且符合經濟效益，但精準度較低。
微流體技術為滿足傳染病檢測需求之關鍵。利用微流體技術可以簡化操作步驟，縮短檢測所需的時間，並且能大幅減少樣品與劑量所需的量，提升檢測極限並且降低檢測成本；將微流體並行設計，能夠提高檢測通量，並可實現多重檢測；另外，微流體裝置也易於微小化成為實驗室晶片(Lab-on-Chip)，能提高可攜性，並且能與資通訊(ICT)裝置整合，實現遠距監測。

二、微流體傳染病診斷平台技術類型

目前已利用微流體技術發展出多項創新傳染病診斷平台，依照檢驗方法可細分為: 微流體核酸檢測(Microfluidic Nucleic Acid Testing)、微流體免疫分析 (Microfluidic Immunoassay)、以微流體為基礎之電動力學分析(Microfluidics-based Electrokinetic Manipulation)、微流體支持分子特徵檢測 (Microfluidics-enabled Molecular Signature Detection)、以微流體為基礎之機械特性分析(Microfluidics-based Mechanical Characterization)等，以下分別介紹各類診斷平台之特色與發展趨勢(各類平台摘要請參閱圖一): 

(一) 微流體核酸檢測 (Microfluidic Nucleic Acid Testing)
核酸檢測為目前最為廣泛使用微流體裝置之傳染病診斷平台。利用微流體技術可在不需使用複雜的儀器與機械裝置之情況下，自動且精準地控制核酸萃取與擴增反應的流程(如精準地控制的試劑體積與反應溫度)，實現快速且準確地擴增樣品的核酸。目前主要的產品形式為利用可拋棄式微流體卡匣處理樣品，搭配桌上型檢驗儀器控制反應參數與讀取結果。
該類技術研發著重於微流體通道與擴增反應流程之設計，以降低偵測極限並且減少樣品製備時間。另外，新型的核酸擴增技術-恆溫式圈環形核酸增幅法(LAMP)，由於不需要高精確度的升溫與降溫控制裝置，能大幅減少儀器的體積與成本，易於發展成小型居家檢測裝置，使民眾可於居家進行初步的傳染病檢驗。
目前能將樣品製備、核酸擴增與偵測等檢測流程整合起來的平台仍有待進一步研發，以提高平台自動化程度，進而減少專業人士操作之需求。另外，多數微流體檢測平台僅能呈現定性結果，定量分析為該平台之重要挑戰。

(二) 微流體免疫分析 (Microfluidic Immunoassay)
微流體免疫分析技術常藉由紙流道(Paperfluidics)或纖維微流體(Fabric-based microfluidics)，利用毛細現象帶動流體(樣品或試劑)移動，並且透過抗體/抗原之專一性免疫反應辨識目標病原體，最後使用電場、磁場或光學等機制偵測反應結果。該類技術不需要複雜的操作與龐大的儀器，能夠短時間內檢測出傳染病，並且能實現自動化、高通量與多重病原體檢測。另外，利用微流體技術還能進一步將樣品製備與免疫反應整合至單一晶片(或試片)上，除了能減少試劑的使用量，更可以在免疫反應前先將樣品進行前處理，以提高靈敏度。
該類技術目前的主要挑戰在於提升靈敏度與專一性，因此市面上參與者亦著重於相關技術的研發，包括改善設備的偵測敏感度、優化抗體固定化(immobilization)方式，以期望達到檢驗實驗室的檢測水準。其他的研發主軸包括:黴菌與寄生蟲的檢測、多重病原體檢測技術等。

(三) 以微流體為基礎之電動力學分析 (Microfluidics-based Electrokinetic Manipulation)
該類技術為將微流體系統與電極結合，利用電動力學效應，如: 電滲流(electroosmosis)、電致旋轉(electrorotation)、介電泳(dielectrophoresis)等效應，將不同種類、特徵或尺寸的分子或細胞在電場中分離，進而檢測出特定的病原體。例如不同類型的細胞有著不同的介電常數，因此利用介電泳可以將各類型細胞分離。該項技術之優勢在於不需要將目標物做標記(如染色)，並能在檢測前先將少量的待測物集中與濃縮，提高檢測的靈敏度。
開發具有成本效益且易於使用的設備為該領域參與者主要的投入方向，且迄今已有少部分產品上市或進入臨床研究階段，如Purigen Biosystems的產品。另外，有部分學研團隊正在探索以電動力學檢測寄生蟲與黴菌的可行性。然而，該類技術主要的挑戰在於電極氧化還原反應之產物與放熱現象，可能會導致病原體死亡，且產生之氣泡亦有阻塞微流體之風險。

(四) 以微流體為基礎之分子特徵檢測 (Microfluidics-enabled Molecular Signature Detection)
該技術為將微流體裝置與小型質譜儀做搭配，透過分子質量、結構等特徵分析，辨識出病原體的種類。質譜儀能夠精準識別出分子特徵，能擴大適用的病原體範疇，而微流體則可將待測物集中，並且實現樣品製備自動化，提升質譜儀的分析效率。
目前學研單位正在嘗試將微流體裝置與質譜儀整合，或開發出適用於現有質譜儀之微流體裝置，例如微電灑法噴嘴晶片，以簡化樣品製備流程，並且減少樣品消耗。然而，該類技術整合難度高，常見的困難包括微流體晶片噴霧的穩定性提升等。另外，質譜儀的檢測結果也需要專業人員才能進行解讀，無法直接判別病原體的存在與否。

(五) 以微流體為基礎之機械特性分析 (Microfluidics-based Mechanical Characterization)
不同生物分子(如細胞)由於物理特徵不同(如大小、形狀、變形性)，在液體中有著獨特的動力學特性，如流變學(rheology)、彈性、慣性等。因此，利用動力學特性搭配微流體通道的結構設計，能夠將特定細胞或病原體從流體中分離與濃縮。此類技術能不用透過標記即將目標物集中，並且可完整地保留下來進行後續分析，因此更適用於臨床檢驗，以提高診斷的準確性。
目前此項技術之研究著重於了解單一細胞在流體環境中的動力學特性，以便開發出對應的分離與濃縮裝置。另外，細胞動力學特性之人工智慧演算法亦在積極開發中，期望能直接透過動力學特性之觀察與分析，診斷出病原體類型。然而該項技術需要非常複雜的微流體結構設計，製造成本將是該技術發展面臨之重要挑戰。

三、創新產品案例

以下挑選四項不同類型微流體診斷平台之創新案例作介紹: 

(一) Linear Diagnostics — 低成本之性傳染病基因檢測平台
Linear Diagnostics 結合一次性微流體卡匣與可攜式光學檢測裝置，開發出高靈敏度且反應迅速之基因檢測平台。該平台首先利用LAMP技術擴增待測物基因，其次利用線性二色性技術(linear dichroism technology)，偵測目標物造成之偏振光相位偏移。該平台之光學檢測裝置僅需要使用便宜的光學元件即可生產，有著低成本、體積小等優勢，並可使用充電電池，因此整套平台相當適用於定點照護檢驗(POCT)。
目前Linear Diagnostics著重於將此基因平台應用於衣原體與淋病雙球菌等性傳染病檢測。

(二) Nanōmix—多重檢測之免疫分析平台
Nanōmix開發免疫分析平台Nanōmix eLab，該平台由微流體卡匣與手持讀取裝置所組成，被設計用於定點照護檢驗(POCT)，可供醫護人員於醫院或救護車上使用，目前適用於敗血症與COVID-19感染檢測(皆已取得CE許可)，並可在10-15分鐘內獲得結果。即時診斷敗血症相當重要，每延遲一小時，死亡率會增加8%，Nanōmix eLab平台能同時檢測三項敗血症之關鍵生物標誌物，分別為乳酸、前降鈣素(procalcitonin)和C反應蛋白(CRP)，提供敗血症診斷之全面資訊。
目前Nanōmix正在拓展eLab免疫分析平台之適應症範疇，包括心血管疾病、急性腎衰竭或是中風等疾病之檢測。

(三) Biological Dynamics—用以分離與檢測目標物的交流電動力學實驗室晶片
Biological Dynamics的Virita平台有著特殊設計的微流體與電極，能透過交流電動力學機制，吸引樣品中的目標物集中，並且驅離目標以外的細胞與生化分子。集中後的目標物可直接透過顯微鏡進行觀察。此平台特色在於不須將樣品製備步驟(如稀釋)，適用於血清、血漿、全血等高導電率溶液之生物分子分離，並可檢測多種生物標誌物(如DNA與外泌體)。同時，也不需大量的樣品，操作時程短。
目前此平台可應用於成人中早期胰臟癌檢測，且於2021年底獲得FDA突破性醫材認定。除了胰臟癌檢測之外，Biological Dynamics亦致力於將Virita應用於其他癌症以及神經與傳染性疾病之檢測，且在近期發表的臨床試驗報告中，證實此平台能有效檢測早期胰腺癌、卵巢癌和膀胱癌等多種癌症。

(四) 瑞典皇家理工學院 (KTH Royal Institute of Technology) — 可高效率從全血中分離細菌之微流體裝置
瑞典皇家理工學院的研究團隊利用特殊設計的矩形微流體以及黏彈性流體(viscoelastic fluid)，將血液樣本中尺寸較大的血球細胞集中於矩形微流體中心，而尺寸較小的細菌則會維持於微流體周邊。藉由前述機制可在無標記之情況下，將細菌從全血中分離，目前已能從未稀釋的全血中分離出約75%的細菌。此裝置可作為樣品製備平台，實現高通量與自動化細菌分離，並可與下游的分析儀器整合，將分離後的細菌做進一步的生化鑑定。此技術迄今尚處於研究開發階段，且得到歐盟之創新藥物計劃(Innovative Medicines Initiative)資助。

四、結語

目前微流體核酸檢測和免疫分析平台等產品已逐漸被推出市場，尤其是細菌與病毒類傳染病檢測。然而，寄生蟲和真菌類的檢測迄今仍多處於研究開發階段，為尚未滿足之需求。另外，其他三種檢測平台(電動力學、分子特徵和機械特性分析)已初步於實驗室證實能高效率分離與檢測病原體，並正朝向商品化發展。
然而，技術整合難度高、微流體裝置生產成本昂貴以及難以融入現有診斷流程等挑戰，限制了微流體傳染病診斷平台的發展。預計隨著生產製造技術的進步以及診斷平台的自動化程度提高，前述挑戰可望在未來3-4年內逐漸被克服。