一、液相芯片技术概括

1、液相芯片技术定义

生物芯片主要包括基因芯片和蛋白芯片两大类，按寻址方式和最终检测载体又可分为固相芯片(flat microarrays)和液相芯片(1iquid chip or microsphere arrays)。

液相芯片，也称为微球体悬浮芯片（suspension array，liquid chip）、流式荧光技术等，是基于编码微球和流式技术的一种临床应用型高通量发光检测技术，属于新型生物芯片技术平台，是由微球、探针分子、待测分子、报告分析四部分所组成。它是在不同荧光编码的微球上进行抗原抗体、酶底物、配体受体的结合反应及核酸杂交反应，通过红、绿两束激光分别检测微球编码和报告荧光来达到定性和定量的目的。

该技术很好地克服了固态阵列式芯片重复性差、反应速率慢及灵活性差等技术缺点，同时和其他免疫检测方法相比具有高通量、多指标联合检测、高敏感性（pg/mL）、高特异性、线性范围宽(可达3-5个数量级)、反应快速(20-40min)、重复性好以及操作简便等优点，因而成为最理想的临床多指标检测技术平台之一。

在免疫诊断场景中，与传统化学发光的 “一个试管一个项目”不同，液相芯片（流式荧光）具有一个试管同时检测几个甚至十几个项目的能力，理论上可以同时检测超过500个指标，可以真正实现高通量、多指标的快速检测。基于多指标联检的特点，“液相芯片”技术大幅降低了检测成本，可以与体外诊断中有巨大市场的化学发光检测形成了互补，弥补化学发光单一指标检测的不足，也是最早通过美国FDA认证可用于临床诊断的生物芯片技术。因此这一技术也受到众多投资人的青睐。

2、液相芯片技术原理

液相芯片技术原理并不完全等同于传统意义上的固相芯片。其核心技术是把微小的聚苯乙烯小球（5.6μm）用荧光染色法进行编码（即通过2种荧光燃料对微球染色，调节这2种荧光染料的比例可获得100种不同颜色的微球），然后将每种颜色的微球交联上1种针对某个检测物的特定生物探针。应用时，先把针对不同检测物的编码微球混合，再加入微量待检样本，在悬液中靶分子与微球表面交联的探针进行特异性结合，在1个反应孔里可同时完成多达100种不同的化学反应。最后用100激光流式仪鉴定微球颜色以判断结果，同时通过靶物质上的报告分子完成反应的定量分析。由于分子杂交或免疫反应是在悬浮溶液中进行的，所以其检测速度极快，可在1个微量液态反应体系中同时检测100个指标。

编码微球是液相芯片技术的一大技术核心。均一的5.6μm的聚苯乙烯微球可长久悬浮于液体中，表面一亿个活化羧基基团可共价交联特异性抗体或核酸探针，并与样本中待检组分发生类均相的抗原抗体或杂交反应（因此平台上核酸和免疫项目均能检测）。

微球被两种荧光染料按10×10的浓度梯度染色编码，形成100种不同特征荧光谱的微球。由于在同一体系中，不同编码微球各自反应、互不干扰，因此每种微球可共价交联任意蛋白或核酸探针，实现一次检测获得100项结果的高通量联合检测，也因此可进行新项目的开发及个体化检测试剂的定制。微球逐颗经过检测仪器时，红色激光识别微球编码确定项目类型，绿色激光读取检测物信号值进行定量或定性分析。

3、液相芯片技术优势

液相芯片技术是近几年出现的一种新型生物芯片技术，其最突出的优点在于：仅需少量样本即可同时性、定量检测同意样本中的多种不同目的分子，即多重检测（multiplexing）。具体说来，与常规免疫学或核酸检测方法相比，液相芯片技术具有以下显著优点：

与固相芯片相比，液相芯片灵活性更好，可以根据需要调节每次检测所需要的微球数量和调整检测体系的设计。液相环境也更有利于保持蛋白质的天然构象和活性，有利于探针和被检测物的反应，在大多数的反应中不需要洗涤步骤，不会破坏反应的动态平衡，且具有操作更方便、更经济等明显优势。

4、液相芯片的种类

4.1微球液相芯片

微球液相芯片使用的是经染料染色后的微球。近年来,随着荧光探针技术研究的深入,人们已经能够制备各种各样的粒径从纳米级到亚微米级的荧光微球。

荧光微球一般指微球的表面标有荧光物质(包括表面包覆)或微球体内结构含有荧光物质(如包埋或聚合)的微球,受到外界能量刺激能激发出荧光。它是一种载有荧光分子的功能性微球,其外形一般为球形。

荧光微球作为一类特殊的功能微球,具有稳定的形态结构、窄的粒径分布、好的单分散性和高效的发光效率等特征。荧光微球的载体多为有机或无机聚合物材料,可以根据载体及荧光物质的不同,将荧光微球分为三大类：

①无机/有机荧光微球，其具体又可分为两种：A、以无机材料为载体，荧光物质为有机化合物，比如以硅胶为无机载体，结合异硫氰酸荧光素制造的荧光微球；B、以有机材料为载体, 荧光物质为无机化合物。比如：以带有活性基团的聚合物微球为载体，与带有活性基团 (如氨基酸、羧酸等)的无机荧光纳米晶体(半导体微晶或金属氧化物掺杂微晶)相结合；

②无机/无机荧光微球，如以硅胶为载体，结合带有活性基团的无机荧光纳米晶体形成的荧光微球；

③有机/有机荧光微球，如以带可自由基聚合官能团的荧光物质与带活性官能团（如-OH,-COOH）的丙烯酸类单体进行水相悬浮聚合,并用交联剂交联得到高光量子、高稳定性且生物相容的聚合物荧光微球。

另外,根据荧光物质在载体微球中所处的位置不同,可将荧光微球分为两大类:①荧光物质处于载体微球表面的荧光微球;②荧光物质处于载体微球内部的荧光微球。

4.2数码液相芯片

数码液相芯片是将蛋白、抗体或核酸分子偶联在特定的磁珠上，由于磁珠体积比较小，重量也轻，所以磁珠很容易悬浮在液体环境中，在这种情况下样本中需要检测的标志物和偶联在磁珠表面的分子的结合是在一个液相的3D环境中，使得他们的结合会更容易，效率更高，也更完全，使检测结果更精准；

数码磁珠，是将顺磁性材料掺入具有生物兼容性的高分子聚合物内，通过光刻法将12位二进制的数字条码刻到磁珠上，通过这种工艺可以制备得到4096种不同编码的数码磁珠。数码液相芯片检测仪器可以精准的识别数码磁珠上的这些数字条码信号，这些都保证了使用数码液相芯片技术可以得到更加精准且稳定的检测结果。其特点在于：

①符合生物学高通量的操作要求，有利于重大疾病疫情爆发时进行快速及时的应对；②操作简单、用时短。整个提取流程只有四步，大多可以在36-60分钟内完成；③安全无毒，不使用任何有毒试剂，符合现代环保理念；④磁珠与核酸的特异性结合使得提取的核酸纯度高、浓度大。

5、液相芯片应用范围

液相芯片的应用领域很广，蛋白质定量、蛋白质功能研究和蛋白质表达谱分析均可用之，具体来说，包括免疫分析、酶分析、受体-配基分析、蛋白质-蛋白质相互作用分析、蛋白质-核酸相互作用分析以及DNA杂交分析等方面。

液相芯片技术（也即流式荧光技术）主要应用于免疫诊断-流式荧光发光技术、分子诊断-流式荧光杂交技术两大细分领域之中。预计到2019年，我国免疫诊断将占我国整个体外诊断试剂行业市场份额的30%，分子诊断试剂的市场份额将占到13%，总共占比43%左右。然而，我国的体外诊断试剂市场与国际相比仍有较大差距，如我国分子诊断试剂产品的种类比较单一，与美国分子诊断市场上的700多个品种相比差距较大。

据广证恒生预测2019年我国免疫诊断市场超过160亿元、分子诊断市场规模将达到108亿元，增速均在15%左右。目前，免疫诊断市场是当下推动体外诊断行业发展的主要动力，也被称为是“黄金细分”，70%的免疫市场已经采用化学发光技术，化学发光以每年约25%的复合增长率增长。流式荧光技术拥有比化学发光更强的技术优势和成本优势，有望在免疫诊断这一“黄金细分”中占据一定份额。

2、技术壁垒高，市场参与者有限，垄断现象明显

液相芯片是整和了荧光编码微球、激光分析、应用流体学及高速数字信号处理等多项技术的新兴科技。就其关键原料荧光微球而言，尽管国内已研发出全球较为领先的微球制造技术，但由于国产的基础原料质量及不锈钢性能较差等原因，致使我国微球整体水平低下，相关中高端市场基本为少数几家外企所把控。另一方面，由于液相芯片属于体外诊断领域最为高精尖技术之一，高通量流式荧光技术较化学发光技术出现时间更晚，成熟性有待提升和普及。因而，目前市场上的实质参与者较少，国际上有Luminex、碧迪、Bio-Rad、Zeus等少数几家；国内最主要的有透景生命、旷博生物，其余主要仍处于探索研究阶段。从全球市场份额来看，绝大多数企业的相关产品均是基于Luminex的技术平台所展开的，Luminex占据着绝对龙头和垄断的地位。

液相芯片的核心技术是荧光编码微球的制备。但在我国，荧光微球技术的发展处于一个滞后阶段，几乎所有高性能、高附加值的荧光微球材料都被国外垄断，国内的微球等化学原材料绝大部分是从Luminex公司所采购，国产液相芯片技术也因此深受此制约。为了解决这项卡脖子技术，急需中国的各位科研人员的努力跟重视。

2、综合型科研人才较为缺乏，原创性能力较弱

液相芯片技术，属于整和了荧光编码微球、激光分析、应用流体学及高速数字信号处理等多项技术的新兴科技，是上世纪末开始兴起的新一代高通量发光检测技术。由于其高复杂的技术难度，对相关科研人员的综合素质提出了更高的要求。相较于国外，国内相关领域的综合研发人员是较为稀缺的，研发实力有待提升；而现有的参与企业和有关人员也大多有着多年的国外知名体外诊断企业工作经验，深受固有思维的影响，原创能力较弱。

除此之外，液相芯片最大的缺点在于：不能连续在线监测待测样品中靶标物的浓度，或者监测样品中靶标物同荧光微球上探针的结合情况。液相芯片在检测人血清中的特异性抗体时，检测的背景信号过高，会给检测结果造成严重干扰。

四、 液相芯片行业发展展望

随着科学技术的不断深入、计算机分析软件功能的日益强大和实践操作经验的不断丰富，液相芯片将广泛应用于基础生命科学研究——检测细胞因子、病原微生物、基因突变以及HLA、基因表达分析、细胞信号转导途径研究；筛选过敏原、检测自身抗体、肿瘤标志物及其他生物标志物分子、研究酶/底物、DNA蛋白相互作用、蛋白-蛋白等分子相互作用、分析蛋白表达等方面，以及环境监测、农业检测、法医学等领域。

1、受资本青睐，流式市场并购频发

由于流式应用的快速增长，国际资本也非常看好流式细胞仪市场。国际上，血液分析巨头Sysmex公司2013年收购了老牌的流式公司Partec；2018年10月，Lunminex宣称以7500万美元收购默克密理博的流式细胞仪产品业务，包括成像流式细胞仪Amnis系列和基于微毛细管技术的Guava系列。

另外还有两起收并购涉及到两家中国境内的企业。2014年4月22日，贝克曼库尔特（Beckman Coulter）生命科学事业部签订协议收购国产流式细胞仪制造商苏州赛景生物科技有限公司；2018年9月25日,安捷伦(Agilent Technologies)宣布，以2.5亿美元的现金收购国产流式细胞仪制造商艾森生物(ACEA)。

2、新型质谱流式光学技术迅速发展

由于液相芯片检测的背景信号过高，会给检测结果造成严重干扰。而质谱流式，是利用质谱原理对单细胞进行多参数检测的流式技术。其仪器采用同位素标记抗体来标记或识别细胞表面和内部的信号分子，并根据流式细胞原理分离单个细胞，再用感应耦合等离子质谱(ICP-MS)观察单个细胞的原子质量谱，最后将原子质量谱的数据转换为细胞表面和内部的信号分子数据。2015年推出的Helios的检测通道达到135个，几乎没有信号重叠或背景噪音，有效克服了这个问题，但是另外，荧光染料匹配仍是一个问题。

3、数据处理能力不断提升

　　随着数字化技术的迅猛发展，以及数据处理系统的升级，液相芯片技术平台的数据处理能力得到极大提升。单次检测指标将不断超越现有的100个，提升灵敏度和重复性。

总的来看，随着医院接诊量的不断加大，对检验自动化要求加大的同时，高通量检测的需求也在不断加大，液相芯片所提供的高通量检测，既能提供高精度的检测，又能同时检测多项指标，还减少了样本的用量，大大减轻了检验的工作量。通过合理配置不同的检验指标组合，来满足大量的检测需求。目前平台总装机数超过了13782 台，液相芯片技术将来必将成为检验的大势所趋。

来源：Sam的行研笔记