生物帮在整个医疗保健行业正在经历根本性转变的时代，诊断服务提供商面临竞争挑战和利润压力。为了在这个不断增长的市场中建立并保持竞争地位，采用最新技术和创新的意愿可能是关键。这就是芯片技术如何有助于提高诊断设备的成本意识效率并开拓新的应用市场。
在整个医疗保健行业的推动下，诊断制造业正面临着巨大的挑战和机遇，整个医疗保健行业正朝着更加个性化和以患者为中心的商业模式和价值主张迈进。结果，例如，医生对伴随诊断的需求增加：预测给定治疗适合于特定患者的可能性并且可以监视治疗期间的治疗效果的测试。利用这些趋势和其他趋势，《全球体外诊断市场报告》预测，体外诊断市场(IVD)从2018年开始将显示累计平均增长率(CAGR)为6.6%，到2023年将达到近1000亿美元。
为了成功打入这个市场，有竞争力的公司需要结合最新和最先进的技术，这推动了个性化浪潮，并对医疗保健行业产生了巨大影响。然而，尽管科技巨头和初创企业正在进入医疗保健领域，但仍然可以从已建立的诊断供应商内部观察到相当不情愿的态度。保留的部分原因可能是由于对现有的准备就绪的芯片技术缺乏了解。
高质量，低成本
无论是妊娠，乳酸或葡萄糖测试，还是对消费者医疗保健的任何其他诊断支持，用于捕获和处理样品的最广泛使用的材料是纸和塑料。出于显而易见的原因-成本-在许多情况下，这些材料将在可预见的将来仍然是最佳的选择。
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然而，越来越多的情况出现在需要更高精确度或增加功能的地方。例如，在需要测序的快速诊断测试中，或者不允许底物依赖性(条带到条带)变异。如果您需要一种价格低廉且方便的诊断设备，可以为您提供与在实验室条件下获得的结果相似的结果，那么硅和相关的半导体技术是您的最佳选择。在成熟的生态系统的支持下，几乎所有复杂的芯片都可以以可接受的价格批量生产，以实现高价值的诊断应用。
芯片技术：多功能构建工具箱
使得半导体技术强大的部分原因是可以内置在芯片内或芯片上的高度小型化组件的多样性。极其精确的制造过程允许构建通道和结构以非常轻松地执行复杂的微流体处理步骤：将样品从A移到B，产生液滴，封装目标物体，合并或过滤出来，浓缩或稀释它们，等等。
可以集成到芯片实验室硅中的某些微电子和纳米电子结构的概述。中心：基于硅的芯片实验室(1x2cm)，带有qPCR反应微腔室，可进行样品制备，DNA提取和定量。每个反应室被绝缘沟槽包围。
另一个值得强调的是光子学：光子学是一种众所周知的技术，例如，在玻璃纤维中以更有效的方式传输数据。但是光子波导和其他组件也可以用于生命科学中。基于光子学的解决方案与紧凑的系统集成相结合，可提供高感测性能。它们坚固耐用，因为它们不需要光学对准或校准步骤。而且，光子学符合对低功耗和低生产成本的需求。由大学，初创企业和研究机构开发的完整的光子组件库可供公司构建下一代光子生物芯片。
还有更多。例如，纳米孔：芯片上的纳米级结构，有助于实现大规模集成和测量带宽。这种大带宽也可以允许其他类型的研究，例如以无标记的方式根据其在孔中的旋转/扩散特性直接进行蛋白质鉴定。
简而言之：就像我们的智能手机一样，硅芯片可实现从样品到诊断的快速工作流程，并准备彻底改变诊断。
设备和应用
以下示例说明了这些硅技术在多种应用中的功能：测量物理，化学和生化参数。通过定制这些技术，进一步发展快速，可靠和具有成本效益的诊断设备仅需一小步。
芯片上分子生物学
纵观典型的DNA样品制备和工作流程，如今存在许多挑战：复杂工作流程中的许多手动步骤，低诊断准确性和结果的不可再现性以及每个基因组的高昂成本(每份样品制备试剂的成本超过200美元)。想象一下，缩小样品到结果并放置在芯片上并能够在不到10分钟的时间内对全血进行完整PCR分析所需的所有实验室功能。
Imec开发了这种硅片上实验室，该实验室可以执行样品制备，DNA提取和定量分析，并包括小的反应室，可以进行快速，完整的PCR反应。PCR腔由微反应器，集成铝加热器，隔热沟槽和微流体通道组成，可在5分钟内完成标准DNA扩增。这样，完整的实验室工作流程可以集成在单个硅片上芯片实验室中。
由于其极小的微型化和并行性(即一次处理多个样本的能力)，这些芯片对于诊断可能具有很高的价值。Cai等人的imec研究。-与三所佛兰德大学合作并在《临床化学2018》上发表-展示了在不到五分钟的时间内对孕妇样本中的B组链球菌感染进行灵敏和定性的芯片检测。这只是这种芯片技术在临床样品中快速，灵敏地检测病毒和细菌的众多可能应用之一。
集成式(生物)化学传感器驱动芯片实验室系统
通过分析从培养基吸收或分泌到培养基中的细胞代谢副产物(蛋白质和酶)，可以确定细胞的生物学状态。例如，基于免疫测定，质谱，色谱法或光谱学的当前技术并不总是在线设置中可用，在样品制备上需要大量的努力，并且通常在具有高蛋白质背景的复杂培养基中缺乏特异性。
蛋白质检测和定量的主流方法是使用免疫测定法(即ELISA)。在其众多变体之一中，用荧光团酶标记的检测抗体可用于提高敏感性和特异性。缺点是在执行测量之前，所有未结合的标签都需要洗掉，这使整个工作流程变得复杂，并且增加了得出结果的时间。作为替代方案，已经探索了许多无标记技术，但是这些技术始终都具有特异性差的缺点，因此在复杂基质中的检测限也很差。
作为替代方案，可以转向基于光子的免疫测定。例如，通过使用光子波导，Imec建立了一种荧光免疫测定法，可用于监测医学诊断中的相关蛋白质。它的特异性，灵敏性和检测极限与ELISA相当，但是可以快速动力学读取，免洗。该免疫测定的关键要素是光子芯片，可以很容易地集成到即时诊断中。这是一种通用技术，可以使用此免疫测定平台检测任何目标蛋白质。
可以讲述与基于光子学的生物传感器类似的故事，以进行离子感测和流体监测，例如，测量血气或分析汗液。通常，这些涉及专用于一个(或很少)目标离子的大型昂贵传感器。得益于芯片集成，可以在仅几平方厘米的表面积上制造具有可比(甚至更好)性能指标的类似系统。
成像，光谱学和细胞分选
对于某些诊断(例如在细胞疗法及其生物加工中)，重要的是对细胞的形态进行目视检查，以获得有关细胞活力和总体状况的直接反馈。通常，这是由过程操作员执行的，该过程操作员会拿取样品进行显微镜检查。由于某些特征几乎不可能正确量化，因此该手动观察存在很大的局限性。而且，该评估通常遭受操作者之间的差异。
借助无透镜成像细胞仪技术，该检查现在可以自动化和集成。这种无透镜系统使用相干光源(例如LED或激光)和CMOS成像器来捕获从小物体(例如细胞)中衍射出来的光。定制软件算法将捕获的衍射图样(称为全息图)重构为类似于正在成像的细胞的对焦图像。它是一种紧凑的解决方案，可以以可承受的价格获得大视野和非常好的分辨率。基于机器学习的图像分析和强大的分类算法可以帮助评估图像并区分特定的细胞类型。
除了视觉成像，在很多情况下(例如，识别材料–流体，粉末，固体)，光谱成像解决方案(例如拉曼光谱)也开始发挥作用。已有文献报道了拉曼光谱技术在医学诊断中的潜力，从体外生物流体分析到体内癌症检测(Kong等，Advanced Drug Delivery Reviews，2015)。
拉曼通过将激光照在材料上并通过分析散射光的特定部分来创建光谱图来发挥作用。在此图表中，可以识别每种材料和化合物的光谱“指纹”。著名的光谱仪是基于迈克尔逊干涉仪的。这种设计的缺点-尤其是要使其小型化时-会使用两个反射镜，其中一个会移动。由于采用了不同的基本方法，因此可以构建这种方案的集成光子版本。一无移动部件。这种小型化的拉曼光谱仪更适合满足更小，更方便的诊断工具的要求。
Imec的片上拉曼光谱解决方案，在CMOS图像传感器的顶部使用了一百万个干涉仪。这种堆积可以实现极端的小型化，并且使用芯片技术，该设备的价格可以比目前的设备低得多。
但是，在可以监视或操作细胞之前，各种芯片实验室解决方案都需要对细胞进行分类和隔离。小型化的细胞分选机制可以看作是已描述的各种设备的关键推动力。此类细胞分选器芯片目前正在开发中，除其他外，它们依赖于无标签识别，微声学和微流体射流技术来识别和分选复杂生物样品中的细胞类型，例如外周血单核细胞(PBMC) 。
高光谱成像领域融合了成像和光谱学两全其美的优势。可调谐到几乎任何给定的波长及其组合，无数种解决方案已经可以从市场上买到，利用这些解决方案可以创建肉眼可见的额外尺寸。考虑在手术，皮肤诊断，伤口护理管理期间获得有关血液氧合的实时视觉反馈。
即时诊断和未来途径
以上所有技术均支持逐步但不可逆的趋势，即朝着更接近医疗点的方向发展。从研发的众多选择中，已经出现了各种各样的衍生公司和初创公司。他们以越来越多的方式引领着带来微型化，快速，易于使用，实验室质量的测试，并直接与患者和临床医生建立了内置连接。
从可食用的东西(可吞咽并有能力在我们消化道内感应和促动的电子设备)和可植入物等未来途径中也可以期待很多。神经探针(用于地图绘制的微型探针，在后期也可以刺激大脑活动)可能会触发大多数的想象力。显然有足够的基础声称硅技术可以革新诊断技术和相关行业。
