干式生化分析多层膜片的研究进展与未来展望

卢志凯，庞雅璇，文 军，黄海水，马 超，孙伟娜（乐凯医疗科技有限公司 河北 保定 071054）

0 引言

体外诊断领域存在众多的检测方法，其中三甲医院的检验科室针对肝功、肾功等常规生化项目开展的检查所需要用到的分析方法主要是湿化学法，即溶液化学法，其次是干化学法，干化学法是从检测原理和检测介质上相区别于传统湿化学法而言的[1]。湿化学法分析比较适合大量标本同时检测时使用，干化学法分析相对而言则更加适合急诊和基层医院社区等一次检测的标本数有限，不定时、不定量标本的应用场景使用，这些场所一般要求诊断速度快、诊断价格低、诊断仪器小等，本文主要就干化学法技术进行介绍。

它的反应原理是将某项生化指标测定所需要的特定试剂成分固化在某些特定结构的试剂载体上，根据检测的需要，当把待测液体样品（可以是血清、血浆、全血、尿液、脑脊液等）加到试剂载体上时，样品中的水就作为反应溶剂将试剂溶解然后发生生化反应。干化学法不是最近几年才兴起的检测方法，早在20 世纪80 年代中旬就有企业对干化学技术应用进行了研究和探索，其中研究最早的是感光行业龙头老大柯达，柯达1980 年左右开发出体外诊断用干化学试剂片，可以高度定量地对某些生化项目进行分析，分析精度可与湿化学法相媲美，现在该公司的技术已经被收购到奥森多公司[2]。不同于常规的湿化学法检测原理，这类检测介质只需要检测时在上面滴加定量的待测液体样品，进而通过测定检测介质反面的反射密度即可得到分析结果。

干化学技术具有诸多优点[3-4]。第一，不需要供排水设备，因此不需要准备生化分析用的液体水和处理相应产生的废液等问题；第二，检测速度快，根据检测项目不同，一个测试项目只需要2 ～6 min 左右；第三，不需要经常校正，仪器的校正周期长，校正一次可稳定测试半年，且可全天候24h 开机使用，只需要有稳定的电源供应即可，这个特点使其特别适合于急诊和户外诊断急救使用；第四，标本用量少，只需要数10 μL 左右即可进行多项检测，这就很适合于新生儿等特殊人群采血困难的情况下使用；第五，标本不需要提前预处理，多层膜技术最上面的扩散/过滤膜可根据测定需要选择性过滤或者预先反应掉某些不需要的物质，从而减少测定过程中的干扰。

鉴于干化学技术的诸多优点，国内外很多大型三甲医院的急诊科室已经实现了干化学技术替代，随着检验医学的发展，临床检验科室也都有了它的身影。根据调研显示，强生公司的市场份额占比最大[5]，它们公司生产的干式生化分析多层膜片包括了近百余项生物化学分析项目，其中涵盖了常规的生化检验项目、电解质离子、免疫项目及毒物药物检测等各个领域。

1 基本结构

干化学技术的历史起源久远，早在20 世纪80 年代中旬，美国的伊士曼-柯达公司就开展了此项体外诊断技术研究，他们创新性地将涂布技术与生化反应技术相结合起来，陆续开始并生产了临床检测的多种干式生化分析多层膜片项目并推向市场，整体的基本结构根植于感光胶片的多层膜涂布技术，并利用了涂层技术的独特性和多变性，实现了临床检验医学领域生化分析技术的重大突破，根据生化分析项目的需要可将干式生化分析多层膜片的结构分为如下4 种功能涂层，其具体结构示意图见图1 所示。

1.1 扩散层

扩散层，也叫展开层、铺展层，是一层亲水性的各向同性的多孔聚合物结构，其具体组成要根据检测项目的需求来决定。该层结构的厚度一般在150 ～300 μm 之间，孔径一般在1.5 ～30.0 μm，其整体的中空体积可占到60%～90%左右，结构整体是由醋酸纤维素骨架构成，这种类似海绵状的多孔状微观三维结构可使得待测液体样品在遇到扩散层后瞬间快速、均匀地向周围扩散、向下层渗透。

扩散层有两个最核心的功能：第一个是起到均匀分布标本的作用，即计量作用，使单位面积上能够均匀分布等体积的液体，也即实现标本从滴加时到检测时的浓度维持一致；另一个是提供反射特定的背景作用，为了实现这个功能就需要使用底色为白色的颜料作为填充剂，以保证反应后测定光路不受干扰，其中二氧化钛、硫酸钡等颜料作为安全无毒、高百度、惰性、便宜的白色填充剂被广泛使用，也可以根据需要选择使用有机玻璃微珠、硅藻土、氧化锌等。除了上述两个核心功能以外，扩散层还具有过滤的作用，扩散膜的孔径基本分布在1.5 ～30 μm 之间，红细胞的直径大概是8 ～9 μm，这就可以保证比红细胞大得多的大蛋白分子、胆红素等这些常见的干扰物质被滞留在这层骨架当中，不进入下面功能层，所以扩散层在这种情况之下可以过滤大分子干扰物质，它相当于一个选择性过滤分子筛。最后，有些检测项目需要在扩散层中加入某些试剂，预先与待测样品中的待测物质反应以改变其组成，并生成我们希望的成分、进入试剂层，进而形成显色反应，这是扩散层的标本预处理作用。

1.2 试剂层

试剂层主要是由亲水聚合物作为基质物质，根据需要向其中加入反应所需的化学试剂、酶、稳定剂、保护剂、螯合剂、缓冲液、表面活性助剂等组分以形成生化反应所需的基础物质和环境等。其中的亲水聚合物主要采用明胶的原因是由于其具有生物化学性质稳定、生物相容性好、吸水溶胀、原材料易得等优点，当待测样本接触到扩散层后，待测物质往下传递至试剂层后涂层开始吸水溶胀，使得待测样本更充分地分布和反应。根据反应原理和测定需要，试剂层可以是一层也可以是两层或者多层，分层涂布干燥或同时涂布干燥均可。

1.3 指示剂层

指示剂层的功能就是显色，指示剂层包含特定结构的无色或有色染料前体，当待测物到达该层时，染料结构产生变化，生成显色复合物，显色深度与待测样品中的待测物浓度成正比例关系。

1.4 支持体层

支持体层可以是多种聚合物材质，其中最常用到的就是既具有良好机械性能，稳定性又好的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基材。在实际应用时，一般是选取具有高透光率的PET 片基，根据需要可带有底层或其他基础涂层。

不同于湿化学法的显色检测原理，干式生化分析多层膜片的测定原理是反射光度法，测定遵循更复杂的Williams -Clapper定律计算。光线从加样端的反面发出，透过支持体层到达扩散层底部被白色背景反射后再透过指示剂层最终返回光检测器，反射光度法检测的原理避免了待测液体样品中的有色杂质、固体物等干扰物质对测定结构的干扰，从而保证了测定结果的准确性。

2 研究进展

干式生化分析多层膜片的准确性好、使用简便，且急诊、常规项目检测兼顾，适用场合多，检测速度快，引起了国内许多专家学者和企业院所的兴趣，近些年陆续有一些企业和机构对干式生化分析多层膜片开展了相关研究和试验，为打破国际垄断和国产化替代道路打开了一扇门，更加快了中国自主研发生产的步伐。

2014 年，长春理工大学刘丹等[6]通过系统筛选，寻找到了适合的高分子膜材料并进一步利用此种材料研制了测定总蛋白、白蛋白、血红蛋白的干片，通过测定其反射光相对强度建立了相应的标准曲线并进行了方法学评价，证实了其方法与湿化学法相关性良好。2015 年，长春理工大学生命科学与技术学院杨惠宇、张昊、徐美玲等人制备了可以用来测定二氧化碳结合力、血糖和尿酸的干式生化分析多层膜片，并对试验干片进行了方法学比较，证实了其可应用于临床检测。2017 年，长春理工大学王晓刚等[7]通过系统研究，选取出优良的高分子膜材料作为试剂层基材，并通过应用建立了对临床血脂四项浓度的干式生化分析方法，采用喷涂与冻干技术分别制备了相应的试验干片，应用分析方法对试验干片进行了评价，证实了其符合临床检验的要求。

2018 年，广东万孚生物技术股份有限公司申请一篇名为“用于制作α-羟丁酸脱氢酶测定用干化学试纸的反应液及干化学试纸”发明专利[9]，其中扩散层材质采用网布、无纺布等材质，试剂层和显色层也分别单独采用玻璃纤维和合成膜单独涂布后最后组装，通过反射分光光度计测定，此种干化学试纸的成功制作解决了液体试剂保存时间短的问题。

2019 年，西北大学郭晓燕等[8]对干式生化分析多层膜片的扩散层膜进行了研究，设计并可控合成了粒径均一的二氧化钛、硫酸钡微球，并进一步构建了以上述无机微球为主，添加少量粘合剂的多功能扩散膜，对扩散膜的血清扩散均匀性进行了考察和验证。通过应用到血糖测试项目上，验证了扩散膜的应用效果。

2019 年，无锡锦帛诚医疗器械科技有限公司申请一篇名为“一种用于体外生化诊断的干化学法多层膜试剂”发明专利[10]，专利采用原柯达公司的产品结构也即醋酸纤维素骨架-二氧化钛粉体结构作为扩散层涂覆在试剂层上，试剂层采用明胶作为水溶性基质材料将化学试剂和酶、助剂等材料溶解后涂布，用以测定生化诊断项目，但其实用效果并未验证。

2019 年，徐詹程的一篇名为“一种多层膜干化学试剂片的制作方法”发明专利[11]，其中采用喷枪喷涂的方法将指示剂层、试剂层和扩散层各层物料按照顺序依次涂布在具有导电性的支持体层上，开创了一种新型的干式生化分析多层膜片的制作方法。

3 未来展望

3.1 干式生化分析多层膜片的应用方向

在全国科技创新大会上，习总书记强调指出，“高端医疗设备主要依赖进口，成为看病贵的主要原因之一。”因此，很有必要提升我国医疗器械的自主创新能力，推动关键核心领域、核心试剂国产化，给干化学技术的发展注入了强有力的动力；并且随着分级诊疗制度的实施，将出现患者向下分流，基层医院就诊人数增多，三甲医院就诊人数降低的趋势，干化学技术由此就可以应运而生占据急诊科和部分专门科室；随着人口老龄化和慢性病的年轻化，简便快捷的干化学检测技术及配套的检测产品将越来越被人们所熟知并进入基层诊所、体检机构和千家万户中。

临床急诊和疾病预防健康管理是干化学技术的一个主要应用方面，除此以外，2020 年开始爆发的新型冠状病毒也对进出口检疫和违禁毒物药物筛查等方面提出了更加准确和快速的检验需求，以便于迅速决策、合理处置，这就给干化学技术的后续发展带来了更大的机遇。

3.2 干式生化分析多层膜片的国产化替代

虽然干化学技术具有操作简便、检测快速和应用场合广泛等优点，但目前国内尚无企业能独立生产和制造干式生化分析试剂片和相应检测仪器，需要完全依赖于进口，导致了目前产品的成本比湿化学法高出几倍之多，并进一步限制了干化学产品的应用和推广。虽然近些年陆续有一些科研院所和机构对干化学技术进行研究和初步应用探索，但目前国内企业和科研院所对干式生化分析多层膜片的研究尚不成熟，距离产品产业化应用还有很长的一段距离，因此，对企业的技术创新能力和创新应用步伐提出了更严苛的要求。企业不应自身埋头苦干，而应该创新思维，充分利用科研综合实力雄厚的科研院所和研究机构的人才和设备优势，加强产学研合作，以尽快突破国际垄断，形成我国自己的知识产权产品。