美國(guó)食品藥物管理局（US Food and Drug Administration; FDA）緊急授權(quán)加州Cepheid公司銷售一種快速篩檢導(dǎo)致新型冠狀肺炎（Covid-19）病毒SARS-CoV-2的新方法,。Cepheid由Kurt Petersen,、Allen Northrup和其他五個(gè)人于1996年創(chuàng)立,，由于商業(yè)化基于微流體芯片的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）分析設(shè)備,，而在MEMS領(lǐng)域頗負(fù)盛名。但這并不是Cepheid第一次迅速響應(yīng)這一類細(xì)菌或病毒等生物威脅,。在2001年美國(guó)發(fā)生炭疽熱（anthrax）恐怖攻擊之后，Cepheid率先為美國(guó)郵政（U.S. Postal Service）提供了炭疽桿菌快篩能力，至今仍在使用中,。
當(dāng)今所有Covid-19檢測(cè)方案的核心都是實(shí)時(shí)反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）分析技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，實(shí)時(shí)RT-PCR利用熱循環(huán)擴(kuò)增患者拭抹樣本中的DNA,，然后透過(guò)熒光光學(xué)檢測(cè)來(lái)搜尋病毒的特定基因組。
這項(xiàng)測(cè)試首先需要了解病毒的基因組,；中國(guó)科學(xué)家于2020年1月10日首次公開(kāi)發(fā)表了SARS-CoV-全基因組測(cè)序的關(guān)鍵工作,。在確定了該病毒的基因組后，以德國(guó)為主導(dǎo)的一支研究小組僅花了7天時(shí)間就發(fā)表了用于測(cè)試患者樣本的第一項(xiàng)方案,，目前已由世界衛(wèi)生組織（World Health OrganizaTIon,；WHO）加以采用。現(xiàn)在還有其他可能更快速也更經(jīng)濟(jì)的病毒檢測(cè)方法也在研究中,，例如抗體檢測(cè)或CRISPR-Cas13測(cè)試等,。
傳統(tǒng)的PCR設(shè)備需要數(shù)小時(shí)才能完成熱循環(huán)并取得結(jié)果。此外,，由于患者拭抹樣本中潛在的病毒量較低以及擴(kuò)增DNA的固有限制,，傳統(tǒng)的PCR方法可能會(huì)導(dǎo)致大量假陰性反應(yīng)。為了對(duì)抗傳染性疾病爆發(fā),，必須既快速又準(zhǔn)確地在患者等待的幾分鐘內(nèi)完成篩檢,，以防止陽(yáng)性患者被漏檢，而對(duì)于其他人造成不必要的風(fēng)險(xiǎn),。
MEMS技術(shù)為PCR帶來(lái)了兩項(xiàng)重要優(yōu)點(diǎn)：縮減尺寸以及整合微流體,。MEMS加熱器和反應(yīng)室的熱質(zhì)量很小,，因此可顯著加快熱-冷循環(huán)，并在數(shù)分鐘內(nèi)迅速得到結(jié)果,。這種用于樣本和試劑處理的微流體整合實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用的新技術(shù),，例如數(shù)字PCR （dPCR）。
數(shù)字PCR方法利用微流體信道將患者的樣本分成多個(gè)微孔數(shù)組或微滴乳狀液（稱為液滴數(shù)字PCR或ddPCR）等多個(gè)單獨(dú)的樣本,。然后再將這些微量樣本進(jìn)行平行PCR處理,，使其聚合后產(chǎn)生樣本中目標(biāo)分子總數(shù)。這種樣本的微觀平行處理顯著提高了檢測(cè)下限,，從而提高了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,。
用于數(shù)字PCR的微流控室數(shù)組（來(lái)源：CombinaTI）
近來(lái)在湖北自然科學(xué)基金會(huì)（Hubei Natural Science FoundaTIon）贊助的一項(xiàng)研究（）中，證實(shí)了采用基于MEMS和微流體的PCR工具與技術(shù)來(lái)檢測(cè)SARS-CoV-2,，比傳統(tǒng)的PCR方法更具優(yōu)勢(shì),。在這項(xiàng)研究中，液滴數(shù)字PCR （ddPCR）和傳統(tǒng)PCR一并用于測(cè)試患者樣本,。這項(xiàng)發(fā)表于今年3月6日的初步研究結(jié)果（尚待進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)證實(shí)）顯示,，ddPCR的SARS-CoV-2檢測(cè)閾值比傳統(tǒng)PCR閾值低500倍。這一結(jié)果意味著,，在患者樣本中病毒載量可能較低的情況下,，ddPCR比傳統(tǒng)PCR更有可能準(zhǔn)確篩檢出陽(yáng)性患者。
MEMS PCR芯片的開(kāi)發(fā)始于1990年代初,。美國(guó)勞倫斯利佛摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore NaTIonal Laboratory,；LLNL）由Allen Northrup領(lǐng)軍的研究小組于1993年發(fā)表了第一個(gè)基于硅的PCR芯片相關(guān)論文，該芯片后來(lái)也在1996年授權(quán)給Ceph??eid,。過(guò)去幾十年來(lái),，有關(guān)如何使用MEMS材料和方法制造新穎PCR芯片，以及由硅,、玻璃甚至塑料基材制成微型整體分析系統(tǒng)（uTAS）的研究一直在持續(xù)進(jìn)行中,。
由美國(guó)勞倫斯利佛摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的Northrup等人開(kāi)發(fā)的首款MEMS硅基PCR芯片（右）已授權(quán)給Cepheid；以及Cepheid現(xiàn)有的測(cè)試盒（右）（來(lái)源：Northrup MA,， Ching MT,， White RM， Watson RT,， “DNA amplification in a microfabricated reaction chamber,，” Transducers 1993， Yokohama,， Japan. pp. 924–926.）
如今,，學(xué)術(shù)研究人員正致力于使用微加工方法來(lái)開(kāi)發(fā)高度整合的低成本系統(tǒng)，特別是用于定點(diǎn)照護(hù)（POC）,。 最新的研究案例之一是韓國(guó)ETRI和Genesystem連手的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種低成本的手持式PCR原型系統(tǒng),，該系統(tǒng)具有聚酰亞胺（聚合物）腔室,、微加熱器以及整合的CMOS檢測(cè)器，可用于光學(xué)讀取結(jié)果（如下圖）,。
可攜式PCR原型橫切面圖示意圖（左）,，包括腔室、加熱模塊和整合型光偵測(cè)器,；以及整合測(cè)試盒（右）,。（來(lái)源：DS Lee， OR Choi,， and YJ Seo,， “A Handheld and Battery-Powered Realtime Microfluidic PCR Amplification Device，” Transducers 2019,， Berlin,， Germany pp. 1063-1065.）
這場(chǎng)與時(shí)間賽跑的Covid-19戰(zhàn)疫，也激發(fā)了全球科技公司的各種活動(dòng)和合作,。晶體數(shù)字PCR先驅(qū)——法國(guó)Stilla Technologies已經(jīng)與中國(guó)公司合作,，為鄭州和信陽(yáng)市提供其Naica數(shù)字PCR系統(tǒng)，協(xié)助他們更有效檢測(cè)新型冠狀病毒并監(jiān)測(cè)其變異,。在美國(guó),，加州Bio-Rad于2020年3月19日宣布，相較于使用qPCR的現(xiàn)有測(cè)試方法,，其QX200液滴數(shù)字PCR系統(tǒng)在SARS-CoV-2的臨床檢測(cè)上提供了更高的靈敏度和精確度,。根據(jù)美國(guó)FDA宣布的「緊急用戶許可證」（Emergency Use Authorization,；EUA）,，Bio-Rad正與科羅拉多州的Biodesix合作，致力于使基于ddPCR的測(cè)試用于Covid-19檢測(cè),。甚至是以汽車和智能型手機(jī)MEMS傳感器而在MEMS產(chǎn)業(yè)中廣為人知的博世（Bosch）,，也將透過(guò)其Vivalytic分析儀與愛(ài)爾蘭公司Randox Laboratories Ltd合作，提供快篩解決方案,。
博世Vivalytic分析儀和測(cè)試盒解決方案,。（來(lái)源：Bosch GmbH）
此外，韓國(guó)也迅速征召其生物技術(shù)公司進(jìn)行更全面的測(cè)試,，這有助于其更能確定Covid-19疫情并實(shí)施有效的控制措施,。
我們衷心希望Cepheid和其他公司所提供的各種快篩測(cè)試都能在這場(chǎng)全球戰(zhàn)疫中發(fā)揮效用。隨著SARS,、MERS和現(xiàn)在的Covid-19相繼流行,，似乎可以肯定的一件事是，快速PCR檢測(cè)儀是對(duì)抗病毒爆發(fā)的一項(xiàng)重要醫(yī)療工具,。全球正持續(xù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)以降低成本,、提升檢測(cè)結(jié)果的速度以及準(zhǔn)確性,，很快地，我們預(yù)計(jì)將會(huì)在每一位醫(yī)生的診療室中看到配備著一臺(tái)利用MEMS技術(shù)增強(qiáng)的PCR設(shè)備,。