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芯片实验室及其发展趋势

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作者:中国科学院大连化学物理研究所 周小棉时间:2007-01-29来源:semiapps收藏

摘要:介绍芯片实验室的一般特点、应用、发展历史和现状。分别讨论相关技术的发展趋势,并对其应用前景提出展望。
关键词:芯片实验室、微流控芯片、微全分析系统科研.中国SciEi.com.
 

一、前言

芯片实验室(Lab-on-a-chip)或称微全分析系统(Miniaturized Total Analysis System, µ-TAS)是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成一块几平方厘米的芯片上,用以完成不同的生物或化学反应过程,并对其产物进行分析的一种技术[1]。它是通过分析化学、微机电加工(MEMS)、计算机、电子学、材料科学与生物学、医学和工程学等交叉来实现化学分析检测即实现从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化这一目标。最近的发展表明,90年代初由Manz[2]等人提出的以微电子加工技术为依托的芯片实验室的发展将会象四十年前微电子技术在信息科学的发展中引发一场革命一样,预计芯片实验室将在未来的发展中对分析科学乃至整个科学技术以及相关的产业界产生相似的作用。计算机芯片使计算微型化,而芯片实验室使实验室微型化,因此,在生物医学领域它可以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到微升甚至纳升级,而且分析速度成倍提高,成本成倍下降;在化学领域它可以使以前需要在一个大实验室花大量样品、试剂和很多时间才能完成的分析和合成,将在一块小的芯片上花很少量样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验;在分析化学领域,它可以使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪,将大大节约资源和能源。芯片实验室由于排污很少,所以也是一种“绿色”技术。中国SciEi.com.

二、 芯片实验室的发展历史与国内现状

芯片实验室或称微全分析系统是由瑞士Ciba-Geigy公司的Manz与Widmer[2]在1990年提出。他们最初的想法是发展一种可能作为一个化学分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件,强调“微”与“全”。所以把µ-TAS看作是化学分析仪器的微型化。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析,借电渗流实现了混合荧光染料样品注入和成功电泳分离。但直到1997年这段时间里该领域的发展前景并不十分明朗。1994年始,美国橡树岭国家实验室Ramsey[3]在Manz的工作基础上发表了一系列论文,改进了芯片毛细管电泳的进样方法,提高了其性能与实用性,引起了更广泛的关注。在此形势之下,第一届Lab-on-a-chip or µTAS国际会议在荷兰Enchede举行,起到了推广微全分析系统的作用。1995年美国加州大学的Mathies等[4]在微流控芯片上实现了DNA等速测序,微流控芯片的商业开发价值开始显现,而此时微阵列型的生物芯片已进入实质性的商品开发阶段。同年9月,首家微流控芯片企业Caliper Technologies公司在美国成立。1996年Mathies[5]又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应(PCR)扩增与毛细管电泳集成在一起,展示了微全分析系统在生物医学研究方面的巨大潜力。与此同时,有关企业中的微流控芯片研究开发工作也加紧进行。1998年之后,专利之战日益激烈,一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪生产厂家合作,Agilent与Caliper联合利用各自的技术优势推出首台这方面的分析仪器Bioanalyzer2100及相应的分析芯片,其它几家厂商也于近年开始将其产品推向市场。据不完全统计,目前全世界已至少有30多个重要的实验室(包括MIT,Stanford大学、加州大学柏史莱分校、美国橡树岭国家实验室等)在从事这一领域的开发和研究。中国SciEi.com.


然而,近年来,国内有多家大学和研究所的实验室已开始了这方面的研究。整体而言,这些院所所开展的工作尚处在起步阶段,多数是从毛细管电泳或流动注射分析所得到的技术积累转移至芯片平台上进行研究,虽然起步较晚,但行动较快。以中国科学院大连化物所林炳承课题组研制出了准商品化的激光诱导荧光芯片分析仪和电化学芯片分析仪和相关的塑料分析芯片[6], 浙江大学亦推出了玻璃分析芯片[7]等为代表的一些研究单位已进行了卓有成效的研究,但是企业尚未真正投入到此行业中来。

三、芯片实验室的要素与基本特点

1. 芯片实验室的要素
按照目前的理解,芯片实验室是富有一定功能的,功能化芯片实验室大体包括三个部分:一是芯片;二是分析仪,包括驱动源和信号检测装置;三是包含有实现芯片功能化方法和试剂盒。

芯片本身涉及到两个方面:一是尺寸;二是材料。现有典型的芯片约为几个平方厘米,一般的通道尺寸为10~100mm宽,5~30mm深,长度约为3~10cm。其通道总体积较一般电泳毛细管小一个数量级左右约纳升级(10-9L)。可用于芯片的材料最常见的为玻璃,石英和各种塑料。玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质,可采用标准的刻蚀工艺加工,可用比较熟悉的化学方法进行表面改性,加工成本较高,封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚碳酯(PC)等,它们成本低,可用物理或化学方法进行表面改性,制作技术和玻璃芯片有较大的区别。中国SciEi.com.

样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用,这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。人们常采用高压电源产生电场力或泵产生正、负压力作为驱动源。由芯片内产生的信号需要被检测,目前最常用的检测手段是激光诱导荧光,此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。激光诱导荧光检测器主要由激光源、光学透镜组和以光电倍增管或CCD为主的荧光信号接收器件组成。特点是检测灵敏度高,被广泛采用;但现阶段其体积仍然偏大。驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分,其体积的大小直接决定了芯片分析仪的大小,因此人们正努力追求将这两部分做到最小。

电化学检测由于其体积较小,与高压电源一起可制成便携式分析仪在尺寸上和芯片实验室的概念匹配,加之有电化学响应的物质很多,所以在芯片中的应用研究较多。电化学检测器的一般做法是将电极集成到芯片上,采用安培或电导法进行检测,其中电泳分离电压对检测电流的干扰是电化学检测需要克服的问题之一。用于电化学检测的电极材料有碳糊、碳纤维、铜丝、金丝等。被检测物质有氨基酸、肽、碳水化合物、神经递质等。把电泳分离、酶联免疫和生物化学集成于一体的芯片实验室研究已有报道,已可能实现多人同时检测或多种免疫指标的同时检测。

诚然,检测的方式多种多样,研究者们正努力将现有的检测方法移植到芯片实验室的检测上,如质谱法、紫外-可见检测法等等。现行的质谱仪一般都体积庞大,与芯片实验室的发展不匹配,不过,近来Polla[8]等研制出了质谱芯片,他们把离子化腔、加速电极、漂移腔、检测阵列等器件集成在只有一枚硬币大小的硅片上,检测质量达10-12克。

功能化试剂盒是各种专一性芯片实验室的特征性组成部分,它将寓于各种应用之中。{{分页}}


2.芯片实验室的特点

芯片实验室的特点有以下几个方面:其一、集成性。目前一个重要的趋势是:集成的单元部件越来越多,且集成的规模也越来越大。所涉及到的部件包括:和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化;用于流体控制的微阀(包括主动阀和被动阀),微泵(包括机械泵和非机械泵);微混合器,微反应器,当然还有微通道和微检测器等。最具代表性的工作是美国Quake研究小组[9]将3574个微阀、1000个微反应器和1024个微通道集成在尺寸仅有3.3mm


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