芯片實(shí)驗(yàn)室及其發(fā)展趨勢

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，并對其應(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)

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)過程，并對其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)[1]。它是通過分析化學(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)等交叉來實(shí)現(xiàn)化學(xué)分析檢測即實(shí)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(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)一場革命一樣，預(yù)計(jì)芯片實(shí)驗(yàn)室將在未來的發(fā)展中對分析科學(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，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)。

二、 芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷史與國內(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，美國橡樹嶺國家實(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(xué)的Mathies等[4]在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)了DNA等速測序，微流控芯片的商業(yè)開發(fā)價(jià)值開始顯現(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(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)勢推出首臺這方面的分析儀器Bioanalyzer2100及相應(yīng)的分析芯片，其它幾家廠商也于近年開始將其產(chǎn)品推向市場。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、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等）在從事這一領(lǐng)域的開發(fā)和研究。
然而，近年來，國內(nèi)有多家大學(xué)和研究所的實(shí)驗(yàn)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(xì)管電泳或流動注射分析所得到的技術(shù)積累轉(zhuǎn)移至芯片平臺上進(jìn)行研究，雖然起步較晚，但行動較快。以中國科學(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。

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)動源和信號檢測裝置；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�，F(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)量級左右約納升級（10－9L）�？捎糜谛酒�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(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。
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)生電場力或泵產(chǎn)生正、負(fù)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(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為主的熒光信號接收器件組成。特點(diǎn)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(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，其中電泳分離電壓對檢測電流的干擾是電化學(xué)檢測需要克服的問題之一。用于電化學(xué)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(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)檢測或多種免疫指標(biāo)的同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(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。
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(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（包括主動閥和被動閥），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器等。最具代表性的工作是美國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×6mm面積的硅質(zhì)材料上，完成了液體在內(nèi)部的定向流動與分配，如圖1所示。





圖1：大規(guī)模集成的微液路芯片
其二、分析速度極快。Mathies研究小組［10］在一個(gè)半徑僅為8厘米長的園盤上集成了384個(gè)通道的電泳芯片。他們在325秒內(nèi)檢測了384份與血色病連鎖的H63D 突變株（在人HFE基因上）樣品，每個(gè)樣品分析時(shí)間不到一秒鐘。
其三、高通量。如上所述的Quake［9］和Mathies［10］兩個(gè)研究小組的研究成果已顯示出這一特點(diǎn)。
其四、能耗低，物耗少，污染小。每個(gè)分析樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十個(gè)微升，被分析的物質(zhì)的體積只需納升級或皮升級。Ramsey最近報(bào)導(dǎo)［11］，他們已把通道的深度做到80nm，這樣其體積達(dá)到皮升甚至更少。這樣不僅能耗低，原材料和試劑及樣品（生物樣品和非生物樣品）極少（僅通常用量的百分之一甚至萬分之一或更少），從而使需要處理的化學(xué)廢物極少，也就是說，大大降低了污染。
其五、廉價(jià)，安全。無論是化學(xué)反應(yīng)芯片還是分析芯片由于上述特點(diǎn)隨著技術(shù)上的成熟，其價(jià)格將會越來越廉價(jià)。針對化學(xué)反應(yīng)芯片而言，由于化學(xué)反應(yīng)在微小的空間中進(jìn)行，反應(yīng)體積小，分子數(shù)量少，反應(yīng)產(chǎn)熱少，又因反應(yīng)空間體表面積大，傳質(zhì)和傳熱的過程很快，所以比常規(guī)化學(xué)反應(yīng)更安全。而分析芯片因污染小，而且可采用可降解生物材料，所以更環(huán)保和安全。

四、 芯片實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
①．臨床血細(xì)胞分析　　近來Ayliffe等人研制出了第一臺阻抗計(jì)數(shù)、光譜分類的細(xì)胞芯片分析儀。他們將微流路和微電極組合到芯片上，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的分類和計(jì)數(shù)。爾后許多研究者對此進(jìn)行了改進(jìn)，使這一技術(shù)日趨完美，不僅可以進(jìn)行細(xì)胞的分類和計(jì)數(shù)而且還實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白的定量測定。值得一提的是Gaward等［12］研制了一種2cm×3cm大小的細(xì)胞分析芯片。他們利用阻抗法和光學(xué)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的分析和顆粒大小的測定。近來美國華盛頓大學(xué)與美國Backman公司合作研究出了可供檢測血細(xì)胞的一次性塑料芯片，大大減少了檢測成本和儀器的體積。
②核酸分析　　微流控芯片實(shí)驗(yàn)室一開始就在DNA領(lǐng)域顯示其極強(qiáng)的功能，涉及到了遺傳學(xué)診斷，法醫(yī)學(xué)基因分型和測序等方面內(nèi)容。Tezuka等［13］在芯片上構(gòu)建一種整體集成的納米柱型陣列結(jié)構(gòu)，這種納米柱直徑200-500nm，高5mm，類似于排列在一起的多個(gè)梳子，用于研究DNA的電泳特征及其分離，已分離了T4 DNA和165.5kbp的lambda標(biāo)樣；Lee等［14］制成集成有微混合器和DNA純化裝置的一次性微流控芯片系統(tǒng)，用于DNA的樣品制備，在微通道里放置陰離子交換樹脂，得到了單一頭發(fā)絲中的線粒體DNA的電泳圖； Hofgärtner等［15］利用微流控芯片快速分析腦脊液樣品中的DNA，診斷帶狀皰疹病毒性腦炎所需時(shí)間只有腦脊液樣品普通凝膠電泳的百分之一；本文作者最近用自研的微流控芯片系統(tǒng)分析了腫瘤細(xì)胞基因甲基化測定的PCR樣品，與普通凝膠電泳相比其檢測靈敏度提高了1024倍，其分析時(shí)間縮短了100倍以上。
③蛋白質(zhì)分析 Duffy等［16］利用CD盤式塑料陣列芯片采用離心的方式進(jìn)行了堿性磷酸酶分析，每個(gè)樣品檢測只需3mL試劑，幾分鐘內(nèi)可分析幾十個(gè)樣品。瑞典的GYROS公司已生產(chǎn)出類似的產(chǎn)品并進(jìn)行了肌球蛋白、IgG、IgA分析［17］。近來Burke 和Regnier［18］在芯片上利用電泳輔助微分析系統(tǒng)（Electrophoretically mediated microanalysis, EMMA）進(jìn)行了β-半乳糖苷酶的分析測定。以Ramsey實(shí)驗(yàn)小組［19］為代表的很多研究者利用芯片進(jìn)行了蛋白質(zhì)和肽的二維電泳分離與檢測，為蛋白質(zhì)的組學(xué)研究提供了一種快捷、便利的分析工具。
④藥物分析　　Hatch等［20］利用“快速擴(kuò)散免疫分析”方法在芯片上進(jìn)行了全血Phenyton(一種抗癲癇藥)濃度測定，測定時(shí)無需去紅細(xì)胞，檢測時(shí)間不足20秒。Chiem等人［21］利用競爭免疫分析法檢測血清樣品中的治療哮喘用的藥物茶堿的濃度，辦法是將含有未標(biāo)記的藥物樣品和已知數(shù)量的熒光標(biāo)記的藥物及藥物抗體混合，未標(biāo)記的藥物與標(biāo)記的藥物競爭，導(dǎo)致標(biāo)記的藥物與抗體復(fù)合物的峰信號降低，而單個(gè)的標(biāo)記藥物峰信號增加，以LIF為檢測器，在稀釋的血清中藥物檢測限為1.25 mg/L，分離時(shí)間不超過50秒。Sathuluri等人［22］利用細(xì)胞芯片進(jìn)行抗腫瘤藥物的高通量篩選。在芯片實(shí)驗(yàn)室上進(jìn)行手性藥物分離及藥物相互作用研究等方面的文獻(xiàn)報(bào)道較多。
⑤小分子分析　　Argaint等［23］研制了一種含有PO2、PCO2和pH傳感器的硅芯片用于血?dú)夥治�。整個(gè)芯片的尺寸僅有6mm×22mm大小。用聚丙烯酰胺和聚硅氯烷聚合層分別作為內(nèi)部電解質(zhì)腔和氣體滲透膜。用集成電路的制作工藝將整個(gè)傳感器件集成在硅片上。因流路通道也被直接集成在硅芯片上，所以減少了樣品和試劑的用量，且分析精度又能滿足臨床檢測的需要。這種產(chǎn)品適宜批量生產(chǎn)。
Koutny等［24］利用免疫芯片電泳不需要進(jìn)行預(yù)濃縮，即可在臨床感興趣的范圍（10-600 mg/L）內(nèi)對血清皮質(zhì)醇進(jìn)行芯片電泳免疫分析。Rodriguez等［25］利用同步循環(huán)模式，通過CZE和MEKC兩種方式分離人尿中的苯丙胺，甲基苯丙胺，3，4-亞甲基二氧甲基苯丙胺及b-苯基乙胺的衍生產(chǎn)物，檢測限為10mg/L，遠(yuǎn)高于目前實(shí)際應(yīng)用的要求。
當(dāng)然，其應(yīng)用不僅僅局限在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在化學(xué)有機(jī)合成和分析化學(xué)等方面亦得到時(shí)了廣泛的應(yīng)用，在此不再細(xì)述。

五、芯片實(shí)驗(yàn)室發(fā)展趨勢
芯片實(shí)驗(yàn)室由于它的發(fā)展涉及很多學(xué)科，又由于研究者的專長和興趣不同，研究的側(cè)重點(diǎn)不同，因此重現(xiàn)出發(fā)展的多樣性，總的發(fā)展朝著更加完善的方向發(fā)展。
1．芯片制造由手工為主的微機(jī)電(MEMS)技術(shù)生產(chǎn)逐漸朝自動化、數(shù)控化的亞紫外激光直接刻蝕微通道方向發(fā)展。
2．將泵、閥、管道、反應(yīng)器等集于一體，呈高度集成化。最具代表性的工作是美國Quake研究小組[9]將三千多個(gè)微閥、一千個(gè)微反應(yīng)器和一千多條微通道集成在尺寸僅有幾十個(gè)平方毫米面積的硅質(zhì)材料上，完成了液體在內(nèi)部的定向流動與分配。
3．用于芯片實(shí)驗(yàn)室制造的材料呈現(xiàn)出多樣式，朝著越來越便宜的方向發(fā)展。由最初的價(jià)格昂貴的玻璃和硅片為材料，發(fā)展成為以便宜的聚合物材料，如聚二甲基硅烷（PDMS）、聚甲基異丁烯酸（PMMA）和聚碳酸酯（PC）等。因而，為將來的一次性使用提供了基礎(chǔ)。
4．由于不同樣品分離檢測的需要，分離通道表面的改性呈現(xiàn)出多樣性發(fā)展。用磺化、硝化、胺化及把帶雙官能團(tuán)的化合物耦合到表面的胺基上的辦法加以修飾可獲得各種分子組分的表面；用EDA、PDA、CAB、SPH及有機(jī)硅烷和無機(jī)氧化物等［26-29］加以修飾微通道表面，以改善吸附特性，改變疏水性和控制電動力學(xué)效應(yīng)以提高分離效率。
5．芯片實(shí)驗(yàn)室的驅(qū)動源從以電滲流發(fā)展到流體動力、氣壓、重力、離心力、剪切力等多種手段。一種利用離心力的芯片已經(jīng)商品化，被稱為Lab-on-a-CD，因?yàn)樵撔酒�形狀象一個(gè)小CD盤［30］。
6． 芯片實(shí)驗(yàn)室的檢測技術(shù)朝著多元化發(fā)展。目前最常用的檢測器是熒光和電化學(xué)檢測器。隨著固態(tài)電子器件的發(fā)展，一些傳統(tǒng)的檢測方法也進(jìn)入這一領(lǐng)域，如采用半導(dǎo)體微波源的MIPAES檢測、不需標(biāo)記的SPR檢測、快速阻抗譜（FIS）檢測、NIR時(shí)間分辨熒光檢測。
7．應(yīng)用方向：芯片實(shí)驗(yàn)室已從主要應(yīng)用的生命科學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到其它領(lǐng)域。例如用于DNA、RNA、蛋白質(zhì)等方向分析檢測，還用于化學(xué)和生物試劑、環(huán)境污染的監(jiān)測；監(jiān)控微秒級的化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)；用于許多化學(xué)合成反應(yīng)的研究，藥物和化學(xué)合成與篩選等［31］。因此，芯片實(shí)驗(yàn)室不僅為分析化學(xué)家，也為合成化學(xué)家特別是藥物合成化學(xué)家打開了通往無限美好明天的大門。
8．芯片實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)業(yè)化發(fā)展越來越明顯、越快速。由于它的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研究越來越專和精，使整體技術(shù)發(fā)展速度加快，再加之它朝著檢測功能化方面發(fā)展，其應(yīng)用前景越來越廣。因此，產(chǎn)業(yè)化前景看好，有可能成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。