芯片實驗室及其發(fā)展趨勢

摘要：介紹芯片實驗室的一般特點、應用、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。分別討論相關技術的發(fā)展趨勢，并對其應用前景提出展望。
關鍵詞：芯片實驗室、微流控芯片、微全分析系統(tǒng)科研.中國SciEi.com.
 

一、前言

芯片實驗室（Lab-on-a-chip）或稱微全分析系統(tǒng)（Miniaturized Total Analysis System, µ-TAS）是指把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離檢測等基本操作單位集成或基本集成一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學反應過程，并對其產(chǎn)物進行分析的一種技術[1]。它是通過分析化學、微機電加工（MEMS）、計算機、電子學、材料科學與生物學、醫(yī)學和工程學等交叉來實現(xiàn)化學分析檢測即實現(xiàn)從試樣處理到檢測的整體微型化、自動化、集成化與便攜化這一目標。最近的發(fā)展表明，90年代初由Manz[2]等人提出的以微電子加工技術為依托的芯片實驗室的發(fā)展將會象四十年前微電子技術在信息科學的發(fā)展中引發(fā)一場革命一樣，預計芯片實驗室將在未來的發(fā)展中對分析科學乃至整個科學技術以及相關的產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生相似的作用。計算機芯片使計算微型化，而芯片實驗室使實驗室微型化，因此，在生物醫(yī)學領域它可以使珍貴的生物樣品和試劑消耗降低到微升甚至納升級，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化學領域它可以使以前需要在一個大實驗室花大量樣品、試劑和很多時間才能完成的分析和合成，將在一塊小的芯片上花很少量樣品和試劑以很短的時間同時完成大量實驗；在分析化學領域，它可以使以前大的分析儀器變成平方厘米尺寸規(guī)模的分析儀，將大大節(jié)約資源和能源。芯片實驗室由于排污很少，所以也是一種“綠色”技術。中國SciEi.com.

二、 芯片實驗室的發(fā)展歷史與國內(nèi)現(xiàn)狀

芯片實驗室或稱微全分析系統(tǒng)是由瑞士Ciba-Geigy公司的Manz與Widmer[2]在1990年提出。他們最初的想法是發(fā)展一種可能作為一個化學分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件，強調(diào)“微”與“全”。所以把µ-TAS看作是化學分析儀器的微型化。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上實現(xiàn)了毛細管電泳與流動注射分析，借電滲流實現(xiàn)了混合熒光染料樣品注入和成功電泳分離。但直到1997年這段時間里該領域的發(fā)展前景并不十分明朗。1994年始，美國橡樹嶺國家實驗室Ramsey[3]在Manz的工作基礎上發(fā)表了一系列論文，改進了芯片毛細管電泳的進樣方法，提高了其性能與實用性，引起了更廣泛的關注。在此形勢之下，第一屆Lab-on-a-chip or µTAS國際會議在荷蘭Enchede舉行，起到了推廣微全分析系統(tǒng)的作用。1995年美國加州大學的Mathies等[4]在微流控芯片上實現(xiàn)了DNA等速測序，微流控芯片的商業(yè)開發(fā)價值開始顯現(xiàn)，而此時微陣列型的生物芯片已進入實質(zhì)性的商品開發(fā)階段。同年9月，首家微流控芯片企業(yè)Caliper Technologies公司在美國成立。1996年Mathies[5]又將基因分析中有重要意義的聚合酶鏈反應（PCR）擴增與毛細管電泳集成在一起，展示了微全分析系統(tǒng)在生物醫(yī)學研究方面的巨大潛力。與此同時，有關企業(yè)中的微流控芯片研究開發(fā)工作也加緊進行。1998年之后，專利之戰(zhàn)日益激烈，一些微流控芯片開發(fā)企業(yè)紛紛與世界著名分析儀生產(chǎn)廠家合作，Agilent與Caliper聯(lián)合利用各自的技術優(yōu)勢推出首臺這方面的分析儀器Bioanalyzer2100及相應的分析芯片，其它幾家廠商也于近年開始將其產(chǎn)品推向市場。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界已至少有30多個重要的實驗室（包括MIT，Stanford大學、加州大學柏史萊分校、美國橡樹嶺國家實驗室等）在從事這一領域的開發(fā)和研究。中國SciEi.com.

然而，近年來，國內(nèi)有多家大學和研究所的實驗室已開始了這方面的研究。整體而言，這些院所所開展的工作尚處在起步階段，多數(shù)是從毛細管電泳或流動注射分析所得到的技術積累轉(zhuǎn)移至芯片平臺上進行研究，雖然起步較晚，但行動較快。以中國科學院大連化物所林炳承課題組研制出了準商品化的激光誘導熒光芯片分析儀和電化學芯片分析儀和相關的塑料分析芯片[6]， 浙江大學亦推出了玻璃分析芯片[7]等為代表的一些研究單位已進行了卓有成效的研究，但是企業(yè)尚未真正投入到此行業(yè)中來。

三、芯片實驗室的要素與基本特點

1． 芯片實驗室的要素
按照目前的理解，芯片實驗室是富有一定功能的，功能化芯片實驗室大體包括三個部分：一是芯片；二是分析儀，包括驅(qū)動源和信號檢測裝置；三是包含有實現(xiàn)芯片功能化方法和試劑盒。

芯片本身涉及到兩個方面：一是尺寸；二是材料?，F(xiàn)有典型的芯片約為幾個平方厘米，一般的通道尺寸為10～100mm寬，5～30mm深，長度約為3～10cm。其通道總體積較一般電泳毛細管小一個數(shù)量級左右約納升級（10－9L）。可用于芯片的材料最常見的為玻璃，石英和各種塑料。玻璃和石英有很好的電滲性質(zhì)和優(yōu)良的光學性質(zhì)，可采用標準的刻蝕工藝加工，可用比較熟悉的化學方法進行表面改性，加工成本較高，封接難度較大。常用的有機聚合物包括剛性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），彈性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚碳酯（PC）等，它們成本低，可用物理或化學方法進行表面改性，制作技術和玻璃芯片有較大的區(qū)別。中國SciEi.com.

樣品和試劑的充分接觸、反應或分離必須有外力的作用，這種外力一般為電場力、正壓力、負壓力或微管虹吸原理產(chǎn)生的力。人們常采用高壓電源產(chǎn)生電場力或泵產(chǎn)生正、負壓力作為驅(qū)動源。由芯片內(nèi)產(chǎn)生的信號需要被檢測，目前最常用的檢測手段是激光誘導熒光，此外還有電化學、質(zhì)譜、紫外、化學發(fā)光和傳感器等。激光誘導熒光檢測器主要由激光源、光學透鏡組和以光電倍增管或CCD為主的熒光信號接收器件組成。特點是檢測靈敏度高，被廣泛采用；但現(xiàn)階段其體積仍然偏大。驅(qū)動源和檢測裝置是芯片實驗室儀器的主要組成部分，其體積的大小直接決定了芯片分析儀的大小，因此人們正努力追求將這兩部分做到最小。

電化學檢測由于其體積較小，與高壓電源一起可制成便攜式分析儀在尺寸上和芯片實驗室的概念匹配，加之有電化學響應的物質(zhì)很多，所以在芯片中的應用研究較多。電化學檢測器的一般做法是將電極集成到芯片上，采用安培或電導法進行檢測，其中電泳分離電壓對檢測電流的干擾是電化學檢測需要克服的問題之一。用于電化學檢測的電極材料有碳糊、碳纖維、銅絲、金絲等。被檢測物質(zhì)有氨基酸、肽、碳水化合物、神經(jīng)遞質(zhì)等。把電泳分離、酶聯(lián)免疫和生物化學集成于一體的芯片實驗室研究已有報道，已可能實現(xiàn)多人同時檢測或多種免疫指標的同時檢測。

誠然，檢測的方式多種多樣,研究者們正努力將現(xiàn)有的檢測方法移植到芯片實驗室的檢測上，如質(zhì)譜法、紫外-可見檢測法等等?，F(xiàn)行的質(zhì)譜儀一般都體積龐大，與芯片實驗室的發(fā)展不匹配，不過，近來Polla［8］等研制出了質(zhì)譜芯片，他們把離子化腔、加速電極、漂移腔、檢測陣列等器件集成在只有一枚硬幣大小的硅片上，檢測質(zhì)量達10-12克。

功能化試劑盒是各種專一性芯片實驗室的特征性組成部分，它將寓于各種應用之中。{{分頁}}

2．芯片實驗室的特點

芯片實驗室的特點有以下幾個方面：其一、集成性。目前一個重要的趨勢是：集成的單元部件越來越多，且集成的規(guī)模也越來越大。所涉及到的部件包括：和進樣及樣品處理有關的透析、膜、固相萃取、凈化；用于流體控制的微閥（包括主動閥和被動閥），微泵（包括機械泵和非機械泵）；微混合器，微反應器，當然還有微通道和微檢測器等。最具代表性的工作是美國Quake研究小組［9］將3574個微閥、1000個微反應器和1024個微通道集成在尺寸僅有3.3mm