芯片实验室及其发展趋势

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×6mm面积的硅质材料上，完成了液体在内部的定向流动与分配，如图1所示。

其二、分析速度极快。Mathies研究小组在一个半径仅为8厘米长的园盘上集成了384个通道的电泳芯片。他们在325秒内检测了384份与血色病连锁的H63D 突变株（在人HFE基因上）样品，每个样品分析时间不到一秒钟。

其三、高通量。如上所述的Quake和Mathies两个研究小组的研究成果已显示出这一特点。

其四、能耗低，物耗少，污染小。每个分析样品所消耗的试剂仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积只需纳升级或皮升级。Ramsey最近报导，他们已把通道的深度做到80nm，这样其体积达到皮升甚至更少。这样不仅能耗低，原材料和试剂及样品（生物样品和非生物样品）极少（仅通常用量的百分之一甚至万分之一或更少），从而使需要处理的化学废物极少，也就是说，大大降低了污染。

其五、廉价，安全。无论是化学反应芯片还是分析芯片由于上述特点随着技术上的成熟，其价格将会越来越廉价。针对化学反应芯片而言，由于化学反应在微小的空间中进行，反应体积小，分子数量少，反应产热少，又因反应空间体表面积大，传质和传热的过程很快，所以比常规化学反应更安全。而分析芯片因污染小，而且可采用可降解生物材料，所以更环保和安全。

四、芯片实验室的应用

在生物医学领域中的应用

①．临床血细胞分析近来Ayliffe等人研制出了第一台阻抗计数、光谱分类的细胞芯片分析仪。他们将微流路和微电极组合到芯片上，实现了细胞的分类和计数。尔后许多研究者对此进行了改进，使这一技术日趋完美，不仅可以进行细胞的分类和计数而且还实现了血红蛋白的定量测定。值得一提的是Gaward等研制了一种2cm×3cm大小的细胞分析芯片。他们利用阻抗法和光学分析技术实现了细胞的分析和颗粒大小的测定。近来美国华盛顿大学与美国Backman公司合作研究出了可供检测血细胞的一次性塑料芯片，大大减少了检测成本和仪器的体积。

②核酸分析微流控芯片实验室一开始就在DNA领域显示其极强的功能，涉及到了遗传学诊断，法医学基因分型和测序等方面内容。Tezuka等在芯片上构建一种整体集成的纳米柱型阵列结构，这种纳米柱直径200-500nm，高5mm，类似于排列在一起的多个梳子，用于研究DNA的电泳特征及其分离，已分离了T4 DNA和165.5kbp的lambda标样；Lee等制成集成有微混合器和DNA纯化装置的一次性微流控芯片系统，用于DNA的样品制备，在微通道里放置阴离子交换树脂，得到了单一头发丝中的线粒体DNA的电泳图； Hofgärtner等利用微流控芯片快速分析脑脊液样品中的DNA，诊断带状疱疹病毒性脑炎所需时间只有脑脊液样品普通凝胶电泳的百分之一；本文作者最近用自研的微流控芯片系统分析了肿瘤细胞基因甲基化测定的PCR样品，与普通凝胶电泳相比其检测灵敏度提高了1024倍，其分析时间缩短了100倍以上。

③蛋白质分析 Duffy利用CD盘式塑料阵列芯片采用离心的方式进行了碱性磷酸酶分析，每个样品检测只需3mL试剂，几分钟内可分析几 十个样品。瑞典的GYROS公司已生产出类似的产品并进行了肌球蛋白、IgG、IgA分析。近来Burke 和Regnier［18］在芯片上利用电泳辅助微分析系统（Electrophoretically mediated microanalysis, EMMA）进行了β-半乳糖苷酶的分析测定。以Ramsey实验小组为代表的很多研究者利用芯片进行了蛋白质和肽的二维电泳分离与检测，为蛋白质的组学研究提供了一种快捷、便利的分析工具。

④药物分析Hatch利用“快速扩散免疫分析”方法在芯片上进行了全血Phenyton(一种抗癲痫药)浓度测定，测定时无需去红细胞，检测时间不足20秒。Chiem利用竞争免疫分析法检测血清样品中的治疗哮喘用的药物茶碱的浓度，办法是将含有未标记的药物样品和已知数量的荧光标记的药物及药物抗体混合，未标记的药物与标记的药物竞争，导致标记的药物与抗体复合物的峰信号降低，而单个的标记药物峰信号增加，以LIF为检测器，在稀释的血清中药物检测限为1.25 mg/L，分离时间不超过50秒。Sathuluri利用细胞芯片进行抗肿瘤药物的高通量筛选。在芯片实验室上进行手性药物分离及药物相互作用研究等方面的文献报道较多。

⑤小分子分析Argaint研制了一种含有PO2、PCO2和pH传感器的硅芯片用于血气分析。整个芯片的尺寸仅有6mm×22mm大小。用聚丙烯酰胺和聚硅氯烷聚合层分别作为内部电解质腔和气体渗透膜。用集成电路的制作工艺将整个传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，所以减少了样品和试剂的用量，且分析精度又能满足临床检测的需要。这种产品适宜批量生产。

Koutny利用免疫芯片电泳不需要进行预浓缩，即可在临床感兴趣的范围（10-600 mg/L）内对血清皮质醇进行芯片电泳免疫分析。Rodriguez利用同步循环模式，通过CZE和MEKC两种方式分离人尿中的苯丙胺，甲基苯丙胺，3，4-亚甲基二氧甲基苯丙胺及b-苯基乙胺的衍生产物，检测限为10mg/L，远高于目前实际应用的要求。

当然，其应用不仅仅局限在生物医学领域，在化学有机合成和分析化学等方面亦得到时了广泛的应用，在此不再细述。