發布時間：2021-04-21 熱度：

一、前言

芯片實驗室(Lab-on-a-chip)或稱微全分析系統(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、醫學和工程學等交叉來實現化學分析檢測即實現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展將會象四十年前微電子技術在信息科學的發展中引發一場革命一樣，預計芯片實驗室將在未來的發展中對分析科學乃至整個科學技術以及相關的產業界產生相似的作用。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模的分析儀，將大大節約資源和能源。芯片實驗室由于排污很少，所以也是一種“綠色”技術。

二、 芯片實驗室的發展歷史與國內現狀

芯片實驗室或稱微全分析系統是由瑞士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“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了毛細管電泳與流動注射分析，借電滲流實現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的作用。1995年美國加州大學的Mathies等[4]在微流控芯片上實現了DNA等速測序，微流控芯片的商業開發價值開始顯現，而此時微陣列型的生物芯片已進入實質性的商品開發階段。同年9月，首家微流控芯片企業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在生物醫學研究方面的巨大潛力。與此同時，有關企業中的微流控芯片研究開發工作也加緊進行。1998年之后，專利之戰日益激烈，一些微流控芯片開發企業紛紛與世界著名分析儀生產廠家合作，Agilent與Caliper聯合利用各自的技術優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品推向市場。據不完全統計，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和研究。中國SciEi.com.

然而，近年來，國內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，多數是從毛細管電泳或流動注射分析所得到的技術積累轉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，但是企業尚未真正投入到此行業中來。

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，包括驅動源和信號檢測裝置;三是包含有實現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。現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和優良的光學性質，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別。

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生的力。人們常采用高壓電源產生電場力或泵產生正、負壓力作為驅動源。由芯片內產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、質譜、紫外、化學發光和傳感器等。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;但現階段其體積仍然偏大。驅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。被檢測物質有氨基酸、肽、碳水化合物、神經遞質等。把電泳分離、酶聯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有的檢測方法移植到芯片實驗室的檢測上，如質譜法、紫外-可見檢測法等等。現行的質譜儀一般都體積龐大，與芯片實驗室的發展不匹配，不過，近來Polla[8]等研制出了質譜芯片，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。

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×6mm面積的硅質材料上，完成了液體在內部的定向流動與分配，如圖1所示。中國SciEi.com.

其二、分析速度極快。Mathies研究小組[10]在一個半徑僅為8厘米長的園盤上集成了384個通道的電泳芯片。他們在325秒內檢測了384份與血色病連鎖的H63D 突變株(在人HFE基因上)樣品，每個樣品分析時間不到一秒鐘。

其三、高通量。如上所述的Quake[9]和Mathies[10]兩個研究小組的研究成果已顯示出這一特點。

其四、能耗低，物耗少，污染小。每個分析樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十個微升，被分析的物質的體積只需納升級或皮升級。Ramsey最近報導[11]，他們已把通道的深度做到80nm，這樣其體積達到皮升甚至更少。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廢物極少，也就是說，大大降低了污染。

其五、廉價，安全。無論是化學反應芯片還是分析芯片由于上述特點隨著技術上的成熟，其價格將會越來越廉價。針對化學反應芯片而言，由于化學反應在微小的空間中進行，反應體積小，分子數量少，反應產熱少，又因反應空間體表面積大，傳質和傳熱的過程很快，所以比常規化學反應更安全。而分析芯片因污染小，而且可采用可降解生物材料，所以更環保和安全。

四、芯片實驗室的應用

在生物醫學領域中的應用

①.臨床血細胞分析　　近來Ayliffe等人研制出了第一臺阻抗計數、光譜分類的細胞芯片分析儀。他們將微流路和微電極組合到芯片上，實現了細胞的分類和計數。爾后許多研究者對此進行了改進，使這一技術日趨完美，不僅可以進行細胞的分類和計數而且還實現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大小的細胞分析芯片。他們利用阻抗法和光學分析技術實現了細胞的分析和顆粒大小的測定。近來美國華盛頓大學與美國Backman公司合作研究出了可供檢測血細胞的一次性塑料芯片，大大減少了檢測成本和儀器的體積。中國SciEi.com.

②核酸分析　　微流控芯片實驗室一開始就在DNA領域顯示其極強的功能，涉及到了遺傳學診斷，法醫學基因分型和測序等方面內容。Tezuka等[13]在芯片上構建一種整體集成的納米柱型陣列結構，這種納米柱直徑200-500nm，高5mm，類似于排列在一起的多個梳子，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，用于DNA的樣品制備，在微通道里放置陰離子交換樹脂，得到了單一頭發絲中的線粒體DNA的電泳圖; Hofg?rtner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分析了腫瘤細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，其分析時間縮短了100倍以上。

③蛋白質分析 Duffy等[16]利用CD盤式塑料陣列芯片采用離心的方式進行了堿性磷酸酶分析，每個樣品檢測只需3mL試劑，幾分鐘內可分析幾

十個樣品。瑞典的GYROS公司已生產出類似的產品并進行了肌球蛋白、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(Electrophoretically mediated microanalysis, EMMA)進行了β-半乳糖苷酶的分析測定。以Ramsey實驗小組[19]為代表的很多研究者利用芯片進行了蛋白質和肽的二維電泳分離與檢測，為蛋白質的組學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“快速擴散免疫分析”方法在芯片上進行了全血Phenyton(一種抗癲癇藥)濃度測定，測定時無需去紅細胞，檢測時間不足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，辦法是將含有未標記的藥物樣品和已知數量的熒光標記的藥物及藥物抗體混合，未標記的藥物與標記的藥物競爭，導致標記的藥物與抗體復合物的峰信號降低，而單個的標記藥物峰信號增加，以LIF為檢測器，在稀釋的血清中藥物檢測限為1.25 mg/L，分離時間不超過50秒。Sathuluri等人[22]利用細胞芯片進行抗腫瘤藥物的高通量篩選。在芯片實驗室上進行手性藥物分離及藥物相互作用研究等方面的文獻報道較多。

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氣分析。整個芯片的尺寸僅有6mm×22mm大小。用聚丙烯酰胺和聚硅氯烷聚合層分別作為內部電解質腔和氣體滲透膜。用集成電路的制作工藝將整個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。這種產品適宜批量生產。

Koutny等[24]利用免疫芯片電泳不需要進行預濃縮，即可在臨床感興趣的范圍(10-600 mg/L)內對血清皮質醇進行芯片電泳免疫分析。Rodriguez等[25]利用同步循環模式，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-苯基乙胺的衍生產物，檢測限為10mg/L，遠高于目前實際應用的要求。

當然，其應用不僅僅局限在生物醫學領域，在化學有機合成和分析化學等方面亦得到時了廣泛的應用，在此不再細述。中國SciEi.com.

五、芯片實驗室發展趨勢

芯片實驗室由于它的發展涉及很多學科，又由于研究者的專長和興趣不同，研究的側重點不同，因此重現出發展的多樣性，總的發展朝著更加完善的方向發展。

1.芯片制造由手工為主的微機電(MEMS)技術生產逐漸朝自動化、數控化的亞紫外激光直接刻蝕微通道方向發展。

2.將泵、閥、管道、反應器等集于一體，呈高度集成化。最具代表性的工作是美國Quake研究小組[9]將三千多個微閥、一千個微反應器和一千多條微通道集成在尺寸僅有幾十個平方毫米面積的硅質材料上，完成了液體在內部的定向流動與分配。

3.用于芯片實驗室制造的材料呈現出多樣式，朝著越來越便宜的方向發展。由最初的價格昂貴的玻璃和硅片為材料，發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。

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出多樣性發展。用磺化、硝化、胺化及把帶雙官能團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及有機硅烷和無機氧化物等[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效應以提高分離效率。

5.芯片實驗室的驅動源從以電滲流發展到流體動力、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商品化，被稱為Lab-on-a-CD，因為該芯片形狀象一個小CD盤[30]。

6. 芯片實驗室的檢測技術朝著多元化發展。目前最常用的檢測器是熒光和電化學檢測器。隨著固態電子器件的發展，一些傳統的檢測方法也進入這一領域，如采用半導體微波源的MIPAES檢測、不需標記的SPR檢測、快速阻抗譜(FIS)檢測、NIR時間分辨熒光檢測。

7.應用方向：芯片實驗室已從主要應用的生命科學領域擴展到其它領域。例如用于DNA、RNA、蛋白質等方向分析檢測，還用于化學和生物試劑、環境污染的監測;監控微秒級的化學和生物化學反應動力學;用于許多化學合成反應的研究，藥物和化學合成與篩選等[31]。因此，芯片實驗室不僅為分析化學家，也為合成化學家特別是藥物合成化學家打開了通往無限美好明天的大門。中國SciEi.com.

8.芯片實驗室產業化發展越來越明顯、越快速。由于它的基礎研究和技術研究越來越專和精，使整體技術發展速度

加快，再加之它朝著檢測功能化方面發展，其應用前景越來越廣。因此，產業化前景看好，有可能成為新的經濟增長點。