晶片實驗室

晶片實驗室（Lab-on-a-chip）或稱微全分析系統（Micro Total Analysis System， or microTAS）是指把生物和化學等領域中所涉及的樣品製備、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於一塊幾平方厘米的晶片上，用以完成不同的生物或化學反應過程，並對其產物進行分析的一種技術。

基本介紹

• 中文名：晶片實驗室
• 外文名：Lab-on-a-chip
• 或稱：微全分析系統
• 提出公司：瑞士Ciba-Geigy公司

簡介

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等人提出的以微電子加工技術為依託的晶片實驗室的發展將會像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，預計晶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。計算機晶片使計算微型化，而晶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，將在一塊小的晶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。晶片實驗室由於排污很少，所以也是一種“綠色”技術。

晶片實驗室的發展歷史與國內現狀

晶片實驗室或稱微全分析系統是由瑞士Ciba-Geigy公司的Manz與Widmer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等人在平板微晶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螢光染料樣品注入和成功電泳分離。但直到1997年這段時間裡該領域的發展前景並不十分明朗。1994年始，美國橡樹嶺國家實驗室Ramsey在Manz的工作基礎上發表了一系列論文，改進了晶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等在微流控晶片上實現了DNA等速測序，微流控晶片的商業開發價值開始顯現，而此時微陣列型的生物晶片已進入實質性的商品開發階段。同年9月，首家微流控晶片企業Caliper Technologies公司在美國成立。1996年Mathies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晶片研究開發工作也加緊進行。1998年之後，專利之戰日益激烈，一些微流控晶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台這方面的分析儀器Bioanalyzer2100及相應的分析晶片，其它幾家廠商也於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。

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晶片平台上進行研究，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製出了準商品化的雷射誘導螢光晶片分析儀和電化學晶片分析儀和相關的塑膠分析晶片， 浙江大學亦推出了玻璃分析晶片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。

晶片實驗室的要素與基本特點

晶片實驗室的要素

按照目前的理解，晶片實驗室是富有一定功能的，功能化晶片實驗室大體包括三個部分：一是晶片；二是分析儀，包括驅動源和信號檢測裝置；三是包含有實現晶片功能化方法和試劑盒。晶片本身涉及到兩個方面：一是尺寸；二是材料。現有典型的晶片約為幾個平方厘米，一般的通道尺寸為10～100μm寬，5～30μm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，約為納升級（10的負9次方升）。可用於晶片的材料最常見的為玻璃，石英和各種塑膠。玻璃和石英有很好的電滲性質和優良的光學性質，可採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），彈性的聚二甲基矽氧烷（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，製作技術和玻璃晶片有較大的區別。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。人們常採用高壓電源產生電場力或泵產生正、負壓力作為驅動源。由晶片內產生的信號需要被檢測，目前最常用的檢測手段是雷射誘導螢光，此外還有電化學、質譜、紫外、化學發光和感測器等。雷射誘導螢光檢測器主要由雷射源、光學透鏡組和以光電倍增管或CCD為主的螢光信號接收器件組成。特點是檢測靈敏度高，被廣泛採用；但現階段其體積仍然偏大。驅動源和檢測裝置是晶片實驗室儀器的主要組成部分，其體積的大小直接決定了晶片分析儀的大小，因此人們正努力追求將這兩部分做到最小。電化學檢測由於其體積較小，與高壓電源一起可製成攜帶型分析儀在尺寸上和晶片實驗室的概念匹配，加之有電化學回響的物質很多，所以在晶片中的套用研究較多。電化學檢測器的一般做法是將電極集成到晶片上，採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。用於電化學檢測的電極材料有碳糊、碳纖維、銅絲、金絲等。被檢測物質有胺基酸、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於一體的晶片實驗室研究已有報導，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晶片實驗室的檢測上，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，與晶片實驗室的發展不匹配，不過，近來Polla等研製出了質譜晶片，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矽片上，檢測質量達10-12克。功能化試劑盒是各種專一性晶片實驗室的特徵性組成部分，它將寓於各種套用之中。

晶片實驗室的特點

晶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、淨化；用於流體控制的微閥（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面積的矽質材料上，完成了液體在內部的定向流動與分配。

晶片實驗室的套用

在生物醫學領域中的套用

①．臨床血細胞分析

近來Ayliffe等人研製出了第一台阻抗計數、光譜分類的細胞晶片分析儀。他們將微流路和微電極組合到晶片上，實現了細胞的分類和計數。爾後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研製了一種2cm×3cm大小的細胞分析晶片。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膠晶片，大大減少了檢測成本和儀器的體積。

②核酸分析

微流控晶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等在晶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5m，類似於排列在一起的多個梳子，用於研究DNA的電泳特徵及其分離，已分離了T4 DNA和165.5kbp的lambda標樣；Lee等製成集成有微混合器和DNA純化裝置的一次性微流控晶片系統，用於DNA的樣品製備，在微通道里放置陰離子交換樹脂，得到了單一頭髮絲中的線粒體DNA的電泳圖； Hofg&auml等利用微流控晶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晶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等利用CD糟式塑膠陣列晶片採用離心的方式進行了鹼性磷酸酶分析，每個樣品檢測只需3L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並進行了肌球蛋白、IgG、IgA分析。近來Burke 和Regnier在晶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實驗小組為代表的很多研究者利用晶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等利用“快速擴散免疫分析”方法在晶片上進行了全血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鹼的濃度，辦法是將含有未標記的藥物樣品和已知數量的螢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複合物的峰信號降低，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 g/L，分離時間不超過50秒。Sathuluri等人利用細胞晶片進行抗腫瘤藥物的高通量篩選。在晶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導較多。

⑤小分子分析

Argaint等研製了一種含有PO2、PCO2和pH感測器的矽晶片用於血氣分析。整個晶片的尺寸僅有6mm×22mm大小。用聚丙烯醯胺和聚矽氯烷聚合層分別作為內部電解質腔和氣體滲透膜。用積體電路的製作工藝將整個感測器件集成在矽片上。因流路通道也被直接集成在矽晶片上，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等利用免疫晶片電泳不需要進行預濃縮，即可在臨床感興趣的範圍（10-600 g/L）內對血清皮質醇進行晶片電泳免疫分析。Rodriguez等利用同步循環模式，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-苯基乙胺的衍生產物，檢測限為10mg/L，遠高於目前實際套用的要求。當然，其套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套用，在此不再細述。

晶片實驗室發展趨勢

晶片實驗室由於它的發展涉及很多學科，又由於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．晶片製造由手工為主的微機電(MEMS)技術生產逐漸朝自動化、數控化的亞紫外雷射直接刻蝕微通道方向發展。

2．將泵、閥、管道、反應器等集於一體，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麵積的矽質材料上，完成了液體在內部的定向流動與分配。

3．用於晶片實驗室製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矽片為材料，發展成為以便宜的聚合物材料，如聚二甲基矽烷（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．由於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及有機矽烷和無機氧化物等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．晶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、剪下力等多種手段。一種利用離心力的晶片已經商品化，被稱為Lab-on-a-CD，因為該晶片形狀象一個小CD糟。

6．晶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螢光和電化學檢測器。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，如採用半導體微波源的MIPAES檢測、不需標記的SPR檢測、快速阻抗譜（FIS）檢測、NIR時間分辨螢光檢測。

7．套用方向：晶片實驗室已從主要套用的生命科學領域擴展到其它領域。例如用於DNA、RNA、蛋白質等方向分析檢測，還用於化學和生物試劑、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；用於許多化學合成反應的研究，藥物和化學合成與篩選等。因此，晶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。

8．晶片實驗室產業化發展越來越明顯、越快速。由於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，其套用前景越來越廣。因此，產業化前景看好，有可能成為新的經濟成長點。