芯片實(shí)驗(yàn)室及其發(fā)展趨勢(shì)

摘要：介紹芯片實(shí)驗(yàn)室的一般特點(diǎn)、應(yīng)用、發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。分別討論相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)其應(yīng)用前景提出展望。
關(guān)鍵詞：芯片實(shí)驗(yàn)室、微流控芯片、微全分析系統(tǒng)科研.中國(guó)SciEi.com.
 

一、前言

芯片實(shí)驗(yàn)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(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測(cè)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(xué)反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)[1]。它是通過(guò)分析化學(xué)、微機(jī)電加工（MEMS）、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、材料科學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)等交叉來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)分析檢測(cè)即實(shí)現(xiàn)從試樣處理到檢測(cè)的整體微型化、自動(dòng)化、集成化與便攜化這一目標(biāo)。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(shù)為依托的芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展將會(huì)象四十年前微電子技術(shù)在信息科學(xué)的發(fā)展中引發(fā)一場(chǎng)革命一樣，預(yù)計(jì)芯片實(shí)驗(yàn)室將在未來(lái)的發(fā)展中對(duì)分析科學(xué)乃至整個(gè)科學(xué)技術(shù)以及相關(guān)的產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生相似的作用。計(jì)算機(jī)芯片使計(jì)算微型化，而芯片實(shí)驗(yàn)室使實(shí)驗(yàn)室微型化，因此，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(jí)，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降；在化學(xué)領(lǐng)域它可以使以前需要在一個(gè)大實(shí)驗(yàn)室花大量樣品、試劑和很多時(shí)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(shí)間同時(shí)完成大量實(shí)驗(yàn)；在分析化學(xué)領(lǐng)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(shí)驗(yàn)室由于排污很少，所以也是一種“綠色”技術(shù)。中國(guó)SciEi.com.

二、 芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷史與國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

芯片實(shí)驗(yàn)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(gè)化學(xué)分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件，強(qiáng)調(diào)“微”與“全”。所以把µ-TAS看作是化學(xué)分析儀器的微型化。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管電泳與流動(dòng)注射分析，借電滲流實(shí)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(shí)間里該領(lǐng)域的發(fā)展前景并不十分明朗。1994年始，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ramsey[3]在Manz的工作基礎(chǔ)上發(fā)表了一系列論文，改進(jìn)了芯片毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣方法，提高了其性能與實(shí)用性，引起了更廣泛的關(guān)注。在此形勢(shì)之下，第一屆Lab-on-a-chip or µTAS國(guó)際會(huì)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(guó)加州大學(xué)的Mathies等[4]在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)了DNA等速測(cè)序，微流控芯片的商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值開(kāi)始顯現(xiàn)，而此時(shí)微陣列型的生物芯片已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的商品開(kāi)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(guó)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(yīng)（PCR）擴(kuò)增與毛細(xì)管電泳集成在一起，展示了微全分析系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)研究方面的巨大潛力。與此同時(shí)，有關(guān)企業(yè)中的微流控芯片研究開(kāi)發(fā)工作也加緊進(jìn)行。1998年之后，專利之戰(zhàn)日益激烈，一些微流控芯片開(kāi)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(shù)優(yōu)勢(shì)推出首臺(tái)這方面的分析儀器Bioanalyzer2100及相應(yīng)的分析芯片，其它幾家廠商也于近年開(kāi)始將其產(chǎn)品推向市場(chǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全世界已至少有30多個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)室（包括MIT，Stanford大學(xué)、加州大學(xué)柏史萊分校、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等）在從事這一領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和研究。中國(guó)SciEi.com.

然而，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有多家大學(xué)和研究所的實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)始了這方面的研究。整體而言，這些院所所開(kāi)展的工作尚處在起步階段，多數(shù)是從毛細(xì)管電泳或流動(dòng)注射分析所得到的技術(shù)積累轉(zhuǎn)移至芯片平臺(tái)上進(jìn)行研究，雖然起步較晚，但行動(dòng)較快。以中國(guó)科學(xué)院大連化物所林炳承課題組研制出了準(zhǔn)商品化的激光誘導(dǎo)熒光芯片分析儀和電化學(xué)芯片分析儀和相關(guān)的塑料分析芯片[6]， 浙江大學(xué)亦推出了玻璃分析芯片[7]等為代表的一些研究單位已進(jìn)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(lái)。

三、芯片實(shí)驗(yàn)室的要素與基本特點(diǎn)

1． 芯片實(shí)驗(yàn)室的要素
按照目前的理解，芯片實(shí)驗(yàn)室是富有一定功能的，功能化芯片實(shí)驗(yàn)室大體包括三個(gè)部分：一是芯片；二是分析儀，包括驅(qū)動(dòng)源和信號(hào)檢測(cè)裝置；三是包含有實(shí)現(xiàn)芯片功能化方法和試劑盒。

芯片本身涉及到兩個(gè)方面：一是尺寸；二是材料。現(xiàn)有典型的芯片約為幾個(gè)平方厘米，一般的通道尺寸為10～100mm寬，5～30mm深，長(zhǎng)度約為3～10cm。其通道總體積較一般電泳毛細(xì)管小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右約納升級(jí)（10－9L）。可用于芯片的材料最常見(jiàn)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(xué)性質(zhì)，可采用標(biāo)準(zhǔn)的刻蝕工藝加工，可用比較熟悉的化學(xué)方法進(jìn)行表面改性，加工成本較高，封接難度較大。常用的有機(jī)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(xué)方法進(jìn)行表面改性，制作技術(shù)和玻璃芯片有較大的區(qū)別。中國(guó)SciEi.com.

樣品和試劑的充分接觸、反應(yīng)或分離必須有外力的作用，這種外力一般為電場(chǎng)力、正壓力、負(fù)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(chǎng)力或泵產(chǎn)生正、負(fù)壓力作為驅(qū)動(dòng)源。由芯片內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)需要被檢測(cè)，目前最常用的檢測(cè)手段是激光誘導(dǎo)熒光，此外還有電化學(xué)、質(zhì)譜、紫外、化學(xué)發(fā)光和傳感器等。激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器主要由激光源、光學(xué)透鏡組和以光電倍增管或CCD為主的熒光信號(hào)接收器件組成。特點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高，被廣泛采用；但現(xiàn)階段其體積仍然偏大。驅(qū)動(dòng)源和檢測(cè)裝置是芯片實(shí)驗(yàn)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(xué)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室的概念匹配，加之有電化學(xué)響應(yīng)的物質(zhì)很多，所以在芯片中的應(yīng)用研究較多。電化學(xué)檢測(cè)器的一般做法是將電極集成到芯片上，采用安培或電導(dǎo)法進(jìn)行檢測(cè)，其中電泳分離電壓對(duì)檢測(cè)電流的干擾是電化學(xué)檢測(cè)需要克服的問(wèn)題之一。用于電化學(xué)檢測(cè)的電極材料有碳糊、碳纖維、銅絲、金絲等。被檢測(cè)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(xué)集成于一體的芯片實(shí)驗(yàn)室研究已有報(bào)道，已可能實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)檢測(cè)或多種免疫指標(biāo)的同時(shí)檢測(cè)。

誠(chéng)然，檢測(cè)的方式多種多樣,研究者們正努力將現(xiàn)有的檢測(cè)方法移植到芯片實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)上，如質(zhì)譜法、紫外-可見(jiàn)檢測(cè)法等等?，F(xiàn)行的質(zhì)譜儀一般都體積龐大，與芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展不匹配，不過(guò)，近來(lái)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(cè)陣列等器件集成在只有一枚硬幣大小的硅片上，檢測(cè)質(zhì)量達(dá)10-12克。

功能化試劑盒是各種專一性芯片實(shí)驗(yàn)室的特征性組成部分，它將寓于各種應(yīng)用之中。{{分頁(yè)}}

2．芯片實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

芯片實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：其一、集成性。目前一個(gè)重要的趨勢(shì)是：集成的單元部件越來(lái)越多，且集成的規(guī)模也越來(lái)越大。所涉及到的部件包括：和進(jìn)樣及樣品處理有關(guān)的透析、膜、固相萃取、凈化；用于流體控制的微閥（包括主動(dòng)閥和被動(dòng)閥），微泵（包括機(jī)械泵和非機(jī)械泵）；微混合器，微反應(yīng)器，當(dāng)然還有微通道和微檢測(cè)器等。最具代表性的工作是美國(guó)Quake研究小組［9］將3574個(gè)微閥、1000個(gè)微反應(yīng)器和1024個(gè)微通道集成在尺寸僅有3.3mm