趙亮 黃巖誼

(北京大學工學院 北京大學生物動態(tài)光學成像中心 北京 100871)

芯片實驗室是lab-on-a-chip的直譯，它并不是一個精確定義的科學概念，而是一個新興的領域。原則上，所有生物與化學實驗室功能的微型化手段均可以用芯片實驗室技術(shù)來指代。芯片實驗室概念中的代表性技術(shù)就是針對小尺度液體操控的微流控技術(shù)(microfluidics)。 除此之外，芯片實驗室技術(shù)也包括了非流動的靜態(tài)微型實驗系統(tǒng)，例如傳統(tǒng)定義中的生物芯片。這類芯片系統(tǒng)通常是微陣列芯片(micro-arrays)，如基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等。它們的特點是流體的流量通常未被控制，可以認為是微流控芯片的特殊類型。這類芯片一般通過檢測點陣上的不同反應(如雜交或者蛋白相互作用等)來進行分析，功能較為有限。相對而言,可以控制流體精確運動的微流控芯片則具有更廣泛的類型、功能與用途。這一技術(shù)受到許多從事物理科學(物理學、化學、力學等)、生命科學以及工程科學的研究者的廣泛關注，被應用到這些領域的實驗研究中。本文主要介紹微流控芯片技術(shù)及其基本發(fā)展過程，著重介紹微流控芯片技術(shù)的最新研究進展及其在化學和生命科學領域的應用。

在化學和生物學研究中，絕大部分實驗都是在溶液狀態(tài)下進行的。由于研究人員對化學和生物學實驗的液體體積要求越來越小，通量要求越來越高，對實驗自動化與可操控性的要求也越來越迫切，傳統(tǒng)的承載和轉(zhuǎn)移操作液體的器材和工具(如燒杯、試管、培養(yǎng)皿等)已經(jīng)不再滿足科學工作者的需求。新型技術(shù)手段必須具備可操作更小體積的液體、更小型化的尺寸、更高的實驗通量、更加自動化控制的特點。 微流控芯片就是一種在這樣的需求中應運而生的技術(shù)，用以進行微量甚至是極微量液體的操控與分析。

從微流控芯片的發(fā)展歷史上看，這一技術(shù)的孕育和發(fā)展具有一定的必然性?？蒲惺袌龊歪t(yī)療的需求，加上在微電子領域的相關加工技術(shù)日漸成熟，催生了微流控芯片技術(shù)并加速了它的發(fā)展[1]。在醫(yī)療健康、檢驗檢疫、環(huán)境監(jiān)測、勞動保護、司法鑒定等領域，對分子分析的需求越來越多，要求也越來越高。對分離分析技術(shù)如色譜和毛細管電泳手段的微型化，成為市場的實際需求。這一需求的背后，是龐大的醫(yī)療診斷消費群體以及國家安全的需要。隨著分子生物學的研究日漸深入，更大通量和更低消耗的實驗技術(shù)成為必需。微流控芯片技術(shù)正好代表了這種趨勢，符合現(xiàn)代分子生物學、基因組學、蛋白質(zhì)組學等學科的發(fā)展步伐。20世紀后半葉迅速發(fā)展的微電子工業(yè)積累了大量的微加工經(jīng)驗，這些經(jīng)驗不僅使得許多微流控芯片加工所必需的理論和技術(shù)得以成熟，而且成型了許多相關設備和儀器，發(fā)明了許多相應的新材料；同時，由于產(chǎn)業(yè)的推動和市場的不斷擴大，加工成本也大大降低。

1975年，斯坦福大學的Terry等人[2]利用微加工手段，在一片硅晶片上蝕刻出了微細的管道，用作氣相色譜的色譜柱，進行微量氣體分離分析的研究。這個器件可能是第一個現(xiàn)代意義上的微流控裝置。但是由于技術(shù)等因素的制約，這種芯片并未引起足夠廣泛的重視。隨后，微流控技術(shù)的發(fā)展進入了相對遲滯的時期。1990年，Manz等人提出微全分析系統(tǒng)(micro total analysis system,μTAS)的概念[3],微流控芯片進入快速發(fā)展時期。Manz和Harrison等進行了深入合作，開展了一系列早期芯片毛細管電泳的開拓性研究工作[4]。這一時期，絕大多數(shù)芯片都是在硅和玻璃基底上制備的，直接借鑒微電子領域成熟的硅基微加工技術(shù)。1998年，G.M.Whitesides提出了軟蝕刻(soft lithography)技術(shù)的概念，從此宣告微流控芯片進入了以彈性材料聚二甲基硅氧烷(poly (dimethlysiloxane),PDMS)為關鍵材料的時代[5]，微流控芯片技術(shù)又進入了新一階段的快速發(fā)展時期。2000年，S.R.Quake 等在加州理工學院提出了一種基于PDMS材料的多層軟蝕刻技術(shù)(multilayer soft lithography)制作新型的氣動微閥和微泵的概念[6]。2002年10月,Quake研究組正式應用氣動微閥技術(shù)以“大規(guī)模集成微流控芯片”為題在美國《科學》雜志上發(fā)表文章，介紹集成了上千個微閥和反應器的微流控芯片[7]，標志著芯片從簡單的電泳分離到大規(guī)模集成化的技術(shù)飛躍。如今微流控芯片已經(jīng)成為涵蓋了從分離分析、化學合成 、醫(yī)學診斷學、細胞生物學、神經(jīng)生物學、系統(tǒng)生物學、結(jié)構(gòu)生物學、微生物學等一系列應用研究領域的綜合性交叉學科。

1 微流控芯片的加工與制備

微流控芯片技術(shù)從概念提出到誕生和發(fā)展，都離不開微加工技術(shù)。微加工技術(shù)的發(fā)展與微流控芯片的發(fā)展息息相關。另一方面，由于新材料應用和發(fā)展，微加工本身的內(nèi)涵也得到了豐富。從早期微流控領域文獻可以看到，大部分探索是直接采用電子學上的基片材料如硅片、玻璃等作為基本的芯片制作材料。如今這些材料大多已經(jīng)被更為經(jīng)濟廉價的高分子塑膠材料代替。這種變化的主要原因在于許多時候硅片并不合適用作制作分離分析和液體操作的微流控芯片材料，因為它不透明且剛性較大，難以與成熟的光學檢測平臺集成在一起；而玻璃的光學性能雖然較好，但要加工制作復雜的多層結(jié)構(gòu)比較困難，步驟相對繁瑣，而且要想制作對液體操控所必需的微泵和微閥是非常困難的。

1998年,哈佛大學的Whitesides課題組發(fā)明了利用彈性高分子材料PDMS的快速復制成型的微加工方法，用于微流控芯片制備，該方法被稱為軟蝕刻技術(shù)(soft lithography)[5]。相對于玻璃材料和硅材料，這種技術(shù)加工制作方便，無須特別苛刻的微加工條件和實驗條件，一次制成的模板可以多次重復使用，極大地縮短了芯片制作所需的時間，加快了研究的速度，降低了芯片制作的難度和成本。這些優(yōu)點促使微流控芯片的研究進入了一個快速發(fā)展的時期。

軟蝕刻技術(shù)的主要過程如圖1A所示。首先，微流控芯片圖形利用計算機圖形軟件設計，設計好的圖形通過高分辨率打印而得到掩膜，再將該光刻掩模通過光刻的方法將圖形轉(zhuǎn)移到涂有光膠的基底上。以SU-8負性光膠為例，曝光的部分發(fā)生聚合反應而得以保留，未曝光的部分被顯影液溶解洗去，留下的圖形就作為芯片復制的陽模。然后，將PDMS預聚體傾倒在陽模上，進行烘烤使得PDMS預聚體交聯(lián)固化形成澆鑄的圖形，從圖形的四周切下PDMS芯片并從陽模上剝離起來，此時芯片管道已經(jīng)在PDMS上形成凹槽。最后，在適當?shù)牡胤酱蚩仔纬扇芤旱倪M出口，將帶有圖形的PDMS基片與另一片平面結(jié)合，進行可逆或者不可逆的封接，完成芯片的制作。

圖1 軟蝕刻技術(shù)和多層軟刻蝕技術(shù)制作微流控芯片[5-6](A)軟刻蝕技術(shù)原理示意圖；(B)多層軟刻蝕技術(shù)原理示意圖，并列的微閥形成主動式微泵示意圖及實物照片。

軟蝕刻技術(shù)誕生后，人們開始可以利用PDMS彈性材料大量制作微流控芯片，同時也開始尋找各種可能的方法，以便能夠在芯片上集成微閥和微泵等能夠操控液體的控制元件。2000年，加州理工學院的Quake等人發(fā)明了多層軟蝕刻技術(shù)，使得大規(guī)模集成微閥和微泵成為可能[6]。該技術(shù)巧妙地利用了PDMS材料的彈性，在芯片中可以方便地制作能夠快速開關的氣動微閥。2002年,他們又在美國《科學》雜志上報道集成了上千個微閥和上百個微反應腔室的微流控芯片，真正實現(xiàn)了芯片從簡單控制到高密度大規(guī)模集成的飛躍。多層軟蝕刻技術(shù)制作微閥微泵的過程如圖1B所示?；谲浳g刻PDMS芯片復制技術(shù)，將兩次制作的PDMS芯片管道上下交疊，中間以極薄的PDMS薄膜隔開分別作為流體層和控制層，當向控制層的管道施加氣壓的時候，PDMS薄膜會受擠壓形變從而關閉流體層的管道，這樣就形成了芯片中的主動微閥。這種主動閥的響應時間為毫秒量級，可以快速地在開與關兩種狀態(tài)之間切換。將3個主動閥并列排列，交叉相應，就形成了微型蠕動泵，可以有效地在芯片中傳輸液體。這種通過多層軟蝕刻技術(shù)制備的主動閥有體積小、密封性好、透光性好、反應快、可精確驅(qū)動、高度集成化、使用時間長、制作簡單、成本低等優(yōu)勢，因而被廣泛使用到高通量的集成微流控芯片中。

2 微流控芯片的應用

2.1 微流控芯片用于生物大分子的分析

在某種程度上說,早期的微流控芯片是一種集成化的微分離器件。微分離已經(jīng)成為微流控芯片領域中最成熟的一類技術(shù)，它在工業(yè)和商業(yè)上的率先成功應用有力地推動了微流控芯片的發(fā)展和壯大。在芯片上進行電泳的研究仍然是微流控領域的主流之一，微流控芯片的最早一輪應用也大都是從芯片毛細管電泳開始的。分離，特別是電泳分離，無疑在微流控芯片的研究中占有極為特殊的地位。需要強調(diào)的是，微流控芯片所涉及的分離只是芯片眾多功能操作單元中的一種，而不是全部，盡管很多時候它還會被單獨使用。

圖2 用于高通量DNA測序的集成CD微流控芯片[8]蜿蜒管道能有效增加通道長度

DNA測序是核酸分析的最根本的手段，基于Sanger末端中止法的陣列毛細管電泳更是第一代DNA測序儀所采用的主流技術(shù)。隨著微流控芯片技術(shù)的開端,最先用于其上的分析手段就是毛細管電泳，而如何利用芯片能夠大規(guī)模集成的特點進行高通量快速的測序成為人們關注的熱點問題。加州大學伯克利分校的Mathies等人設計了一種96通道微陣列電泳微流控芯片，使高通量的DNA測序第一次得以在微流控芯片上實現(xiàn)[8]。該芯片采用了轉(zhuǎn)角蜿蜒設計(圖2)，將有效分離管道的長度加長到16cm，從而增加了一次電泳分析的可讀片斷長度，極大地提高了分析的通量。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析是結(jié)構(gòu)生物學的基礎，如何得到所需蛋白的單質(zhì)結(jié)晶是確定整個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個主要瓶頸。微流控芯片上管道和流路精確可控、高度集成，從而為蛋白質(zhì)結(jié)晶過程中的條件優(yōu)化提供了一種新型平臺，而且由于芯片中的液體體積多在納升級別，可以極大節(jié)省辛苦提純得到的蛋白質(zhì)樣品。芝加哥大學的Ismagilov研究組提出了一種芯片中高效簡單的蛋白質(zhì)單晶條件篩選新方法。他們在“T”字形管道芯片中的“T”節(jié)點處控制產(chǎn)生微液滴，從而形成一個個單獨分散的微反應器，并在下游直接由X射線衍射出微液滴中蛋白單晶的衍射圖，從而最終確定蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)。通過控制各個分支管道中的流量，可以精確地控制蛋白和共沉淀劑的比例，此外單晶的結(jié)構(gòu)可以直接在下游讀出[9]。而Quake小組則通過高度集成的“配方芯片”和通過微尺度下自由擴散的方式，在芯片上實現(xiàn)了對結(jié)晶條件的快速篩選、對結(jié)晶過程的細微控制和晶體衍射數(shù)據(jù)的采集，極大提高了工作效率[10]。

2.2 微流控芯片用于細胞生物學的研究

細胞是生命的基本組成單元，細胞生物學的發(fā)展是推動現(xiàn)代生命科學進步的重要動力。我們對生命過程的深入了解和對人類健康的研究都離不開高效準確的細胞生物學實驗。隨著細胞生物學不斷發(fā)展，我們對細胞的結(jié)構(gòu)、組成和功能有了越來越多的了解，絕大多數(shù)認識是建立在針對大量細胞的系綜平均結(jié)果基礎上的。然而,近年來的一些深入研究表明，許多生命現(xiàn)象無法簡單地從系綜平均上得以理解和闡明，故在少量細胞乃至單個細胞層次上進行生命科學的研究顯現(xiàn)出了迫切的重要性。絕大多數(shù)細胞的大小位于微米尺度，正好同微流控芯片中的通道大小相適應，這一匹配為操縱少數(shù)或者單個細胞提供了極為便捷的條件。集成微流控芯片在操作上可控性很強，從而為進行細胞培養(yǎng)、原位觀察以及實時動態(tài)的微環(huán)境調(diào)控提供了可能性，在小體積內(nèi)進行這樣的實驗還有助于保持合適的濃度、較短的傳質(zhì)時間、較快的時間響應和長時間的動態(tài)追蹤。

微流控芯片發(fā)展的一個重要方面就是要從生物學家的角度制造和發(fā)明為他們所樂于接受和易于使用的芯片裝置。威斯康辛大學的Beebe研究組發(fā)明了一種細胞培養(yǎng)芯片，其結(jié)構(gòu)很簡單而想法卻很巧妙。他們利用微通道兩端開口處的表面張力差作為驅(qū)動力產(chǎn)生持續(xù)的流動，控制細胞和相應的溶液(圖 3A)，還可以利用芯片管道中的層流效應來處理管道中的部分細胞[11]。該芯片可以與移液器一起配合進行高通量的細胞培養(yǎng)和實驗，更易于被生物學家接受和采用。

Quake等人則將微生物培養(yǎng)恒化器集成在微流控芯片上，對大腸桿菌的恒化培養(yǎng)中所需的關鍵步驟，如洗滌、注入、恒化培養(yǎng)、循環(huán)泵流等，都能夠?qū)崿F(xiàn)自動化(圖 3B)。在應用該裝置研究大腸桿菌的基因反饋回路的恒化培養(yǎng)時，他們發(fā)現(xiàn)該裝置能夠維持幾百個大腸桿菌的恒化培養(yǎng)長達幾天;而通常情況下,在大體積的體系中的反應都會由于桿菌數(shù)量較多而增加了基因變異的概率，從而使得菌落很快失去基因的自反饋調(diào)節(jié)。相對于傳統(tǒng)方法，該芯片裝置更適合長期進行的細菌恒化培養(yǎng)研究，而且具有單細胞水平的分辨率[12]。

圖3 表面張力驅(qū)動的高通量細胞培養(yǎng)微流控芯片和用于微生物恒化培養(yǎng)的微流控生物反應控制體系[11-12] (A) 表面張力驅(qū)動液流示意圖，192通道陣列細胞培養(yǎng)芯片照片以及其中一個管道在連續(xù)培養(yǎng)3T3-L1細胞5天之后照片；(B) 微生物微流控芯片恒化培養(yǎng)反應裝置，芯片實物圖和芯片結(jié)構(gòu)照片。

細胞內(nèi)組分復雜，胞內(nèi)特定組分或內(nèi)涵物的分析測定對研究細胞代謝過程、細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導以及細胞功能具有重要意義。微流控芯片有可能將各種細胞操作技術(shù)與電泳過程集成為一體，是實現(xiàn)細胞內(nèi)(特別是單個細胞內(nèi))組分分析的重要技術(shù)平臺;特別是在其中還可以結(jié)合多層芯片的集成技術(shù)加工微泵、微閥、微腔室進行單細胞的操作和分析。斯坦福大學的Zare研究組設計制作了一種多功能集成的單細胞分析芯片，實現(xiàn)了對單個T淋巴瘤細胞內(nèi)氨基酸的測定[13]。該芯片將單個細胞的操縱、化學試劑定量運輸、細胞裂解、胞內(nèi)氨基酸熒光標記和電泳分離等功能單元集成在一塊芯片上，并通過調(diào)節(jié)控制“全開”、“半開”和“全關”功能的三相閥來控制液體的運輸，整個反應池體積很小(約70pL)，試劑消耗大大減少，單細胞內(nèi)涵物的稀釋被大大地降低。結(jié)果顯示，單細胞內(nèi)氨基酸電泳分離效果較好，并與群體細胞的胞內(nèi)氨基酸電泳結(jié)果做了比較。該課題組在隨后的研究中進一步發(fā)展了這種方法(圖4A)，在芯片中全集成了單細胞的分離、操作、細胞裂解、熒光標記等功能單元，在管道下游用聚焦成線狀的激光來激發(fā)單個分子的熒光并通過高靈敏度的CCD進行收集，計數(shù)并分析了單個細胞內(nèi)極低拷貝數(shù)的蛋白質(zhì)β2AR。該方法可以對單個細胞中少于1000個的蛋白質(zhì)分子進行計數(shù)，同時通過校正消除PDMS材料自發(fā)熒光的影響[14]，這一方法對單個細胞的研究提供了一個很可行的思路。

圖4 用于單細胞中低豐度蛋白計數(shù)的微流控芯片裝置和單細胞中隨機蛋白表達的單分子熒光分析芯片[14-15](A) 用于單細胞操縱與低拷貝蛋白計數(shù)的微流控芯片(左側(cè))以及分子技術(shù)微管道(居中)，物鏡聚焦的激發(fā)光位置示意圖和CCD分子熒光成像的照片(右側(cè))；(B) 用于研究單細胞中蛋白隨機表達的芯片結(jié)構(gòu)示意圖(左圖)，酵母細胞被固定限制在芯片的微管道中，封閉微管道中的熒光素濃度隨時間變化曲線。

細胞是極為復雜的體系，在細胞中的隨機生物學事件，如隨機的蛋白表達，往往在特定的時刻決定細胞功能甚至細胞的命運。傳統(tǒng)的生物學方法缺乏很好的手段來研究細胞中的隨機過程。哈佛大學的謝曉亮研究組利用微流控芯片技術(shù)結(jié)合β-半乳糖苷酶基因作為報告基因，應用單分子熒光技術(shù)將單個酵母和大腸桿菌細胞封閉在微流控芯片的微培養(yǎng)腔室中,研究了單個細胞中蛋白表達的隨機性(圖 4B)。芯片封閉了單個細菌細胞的微環(huán)境，既可使β-半乳糖苷酶催化生成的熒光產(chǎn)物迅速地被泵到細胞外，也可以很快在微腔室中積累到足以被檢測的濃度[15]。因此芯片上的實驗從技術(shù)上彌補了傳統(tǒng)方法的不足，使人們可以更容易在單分子水平上觀察到原先傳統(tǒng)方法難以觀察的生物學現(xiàn)象和事件。

要從根本上研究細胞生物學，最直接的方法就是對單細胞的基因進行測序和分析，甚至是在給定的環(huán)境、給定的時間點進行全基因組的分析，這就要求對單細胞的mRNA通過逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA，然后PCR擴增將低豐度的基因信號放大。Quake研究組應用他們發(fā)展的多層芯片制作技術(shù)為這一目標提供了一種基本的方法，他們通過大規(guī)模集成微閥、微泵和微腔室，在PDMS芯片中全集成了從單細胞分選到mRNA逆轉(zhuǎn)錄成cDNA，并分析了基因表型[16]。

2.3 微流控芯片用于生物醫(yī)學診斷的研究

隨著微流控芯片技術(shù)的日臻成熟，人們希望微流控芯片能夠走出實驗室，真正進入到應用領域并對人們的日常生活產(chǎn)生真正的影響，生物醫(yī)學診斷無疑是微流控芯片最為適合也是最具有潛力的應用領域。

圖5 芯片中快速合成放射性診斷輔助藥物[18F]FDG[17](A) 合成路線圖及芯片結(jié)構(gòu)示意圖；(B) 芯片實物圖；(C) 芯片中快速制備的[18F]FDG純度分析；(D) 芯片中快速制備的[18F]FDG注射小鼠后的PET成像結(jié)果。

經(jīng)典的化學合成通常在燒瓶、燒杯等較大體積容器中進行，而有些反應產(chǎn)物由于其自身壽命的限制，需要人們更快地合成制備所需的產(chǎn)物，比如在臨床診斷特別是癌癥診斷和治療監(jiān)測中重要的醫(yī)學成像技術(shù)正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography，PET)診斷中，重要的放射性顯像藥物18氟-2-脫氧葡萄糖(2-deoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose，[18F]FDG)的常規(guī)合成需要訓練有素的工作人員使用特有的設備并花費幾十分鐘的工作時間。但是該化合物的半衰期卻只有110分鐘，這在很大程度上限制了這一技術(shù)的臨床應用。美國加州理工學院和加州大學洛杉磯分校的科學家利用在微流控芯片中集成大量微閥、微泵，將[18F]FDG合成中的氟化物富集、脫水、標記、脫乙腈、水解5步反應高度集成在微流控芯片上(圖5)，使該化合物的合成全過程縮短至僅僅14分鐘，并將芯片上合成產(chǎn)物直接注射入小鼠體內(nèi)，利用PET得到腫瘤分布的清晰圖像[17]。

弗吉尼亞大學的Landers課題組發(fā)明了一種能夠直接接受全血作為分析樣品的集成微流控芯片,該芯片集成了樣品前處理(從全血中實現(xiàn)核酸的固相萃取)、PCR擴增和核酸電泳分析3個功能區(qū)域，各個區(qū)域之間以微閥分隔開來，最大程度地避免了上游操作對下游分析的污染。為了展示這種“樣品進-結(jié)果出”(sample-in-answer-out)的全集成式微流控芯片的分析能力，作者檢測了750nL被炭疽病毒感染的小鼠全血中的炭疽病毒DNA，并且僅用1μL鼻腔提取液確診了一名患者體中的百日咳病毒，全部分析過程只用了不到30分鐘[18]。

美國哈佛醫(yī)學院的Toner課題組最近在微流控芯片上實現(xiàn)了從未經(jīng)任何處理的全血中分離出循環(huán)腫瘤細胞(circulating tumor cell)[19]。該芯片采用硅作為基片，加工出了密集的微立柱，用表面化學的方法在硅基片上修飾了腫瘤細胞抗體EpCAM，當全血流經(jīng)芯片時，由于細胞與基底的結(jié)合力，循環(huán)腫瘤細胞被從全血中分離出來以便進一步檢測。他們用該芯片成功地從117例患有前列腺癌、乳腺癌、肺癌、胰腺癌、結(jié)腸癌的患者的全血中分離檢測到了116例樣品中的循環(huán)腫瘤細胞，檢出率達到99%。

圖6 微流控芯片裝置用于活力精子細胞的分選[20](A) 實驗顯微觀察圖，活力精子穿過原有流層；(B) 實驗原理示意圖。

密西根大學的Takayama實驗室提出了一種在微流控芯片上簡單分離有活力的精子的方法(圖6)[20]。該方法利用微通道中流體所特有的層流的性質(zhì)，在Y形分叉的一個分支中加入精子樣品，在另一個分支中添加緩沖溶液。由于層流作用的存在，這兩股流體在通過合并管道后，除了少量擴散外不會有其他因素促進混合，因此絕大多數(shù)沒有活力的精子細胞會平直地流出，而有活力的精子由于自身的游動會從原有的流層中游出，“主動擴散”到相鄰的緩沖液層。該芯片構(gòu)造極為簡單，無須外界注射泵等外源能量的介入，利用表面張力和重力將待測樣品從入口一端泵到出口，而有活力的精子在側(cè)邊的一個出口得以有效地富集。

3 結(jié)論

微流控芯片技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，盡管只經(jīng)歷了短短20年的發(fā)展，已經(jīng)從最初單純的毛細管電泳的微型化技術(shù)演變成為一種涵蓋了從基礎生物技術(shù)到生物醫(yī)學診斷等各個領域的富有活力的工具性方法平臺。隨著微流芯片技術(shù)和科技的不斷發(fā)展，相信在不久的將來，微流控芯片技術(shù)與其他的代表性技術(shù)會在更為廣泛的研究領域中交叉滲透，快速發(fā)展，而且也會更加直接地深入到人們的日常生活甚至平常使用的器件當中，真正實現(xiàn)“μ-fluidic inside”。當前微流控芯片技術(shù)的發(fā)展處于理性的發(fā)展階段，既沒有了20世紀90年代領域興起時的過度樂觀，也徹底擺脫了10年前這一領域發(fā)展的低谷期。從近年來微流控技術(shù)的發(fā)展和應用實例上可以推測，這一技術(shù)今后的發(fā)展將集中在大規(guī)模、高通量、低消耗的生命科學和分析化學實驗中，包括單細胞培養(yǎng)與分析、干細胞操控與培養(yǎng)、單分子生物物理學、高通量的細胞與分子生物學篩選實驗、藥物發(fā)現(xiàn)、高通量合成生物學、高通量測序技術(shù)、單細胞基因組學等領域都將大大受惠于微流控的實驗平臺。在今后的發(fā)展中，微流控技術(shù)不可避免地會持續(xù)面臨一些挑戰(zhàn)和受到芯片形式局限性的制約，特別是如何在保證實驗可靠性和平行性的前提下提高芯片操控的簡便性、解決芯片與外界連接的損耗過大問題、在簡化芯片復雜度的同時提高實驗通量、實現(xiàn)芯片上成熟分析化學手段的高效移植、發(fā)展更加有效的芯片觀察手段等方面的進步與突破，將成為推動微流控技術(shù)應用進一步發(fā)展的重要動力。

參 考 文 獻

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