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1. 芯片實(shí)驗(yàn)室的要素

   按照目前的理解，芯片實(shí)驗(yàn)室是富有一定功能的，功能化芯片實(shí)驗(yàn)室大體包括三個(gè)部分：一是芯片;二是分析儀，包括驅(qū)動(dòng)源和信號(hào)檢測(cè)裝置;三是包含有實(shí)現(xiàn)芯片功能化方法和試劑盒。

   芯片本身涉及到兩個(gè)方面：一是尺寸;二是材料。現(xiàn)有典型的芯片約為幾個(gè)平方厘米，一般的通道尺寸為10～100mm寬，5～30mm深，長(zhǎng)度約為3～10cm。其通道總體積較一般電泳毛細(xì)管小一個(gè)數(shù)量級(jí)左右約納升級(jí)(10-9L)?？捎糜谛酒牟牧献畛Ｒ?jiàn)的為玻璃，石英和各種塑料。玻璃和石英有很好的電滲性質(zhì)和優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，可采用標(biāo)準(zhǔn)的刻蝕工藝加工，可用比較熟悉的化學(xué)方法進(jìn)行表面改性，加工成本較高，封接難度較大。常用的有機(jī)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(xué)方法進(jìn)行表面改性，制作技術(shù)和玻璃芯片有較大的區(qū)別。

   樣品和試劑的充分接觸、反應(yīng)或分離必須有外力的作用，這種外力一般為電場(chǎng)力、正壓力、負(fù)壓力或微管虹吸原理產(chǎn)生的力。人們常采用高壓電源產(chǎn)生電場(chǎng)力或泵產(chǎn)生正、負(fù)壓力作為驅(qū)動(dòng)源。由芯片內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)需要被檢測(cè)，目前最常用的檢測(cè)手段是激光誘導(dǎo)熒光，此外還有電化學(xué)、質(zhì)譜、紫外、化學(xué)發(fā)光和傳感器等。激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器主要由激光源、光學(xué)透鏡組和以光電倍增管或CCD為主的熒光信號(hào)接收器件組成。特點(diǎn)是檢測(cè)靈敏度高，被廣泛采用;但現(xiàn)階段其體積仍然偏大。驅(qū)動(dòng)源和檢測(cè)裝置是芯片實(shí)驗(yàn)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(xué)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室的概念匹配，加之有電化學(xué)響應(yīng)的物質(zhì)很多，所以在芯片中的應(yīng)用研究較多。電化學(xué)檢測(cè)器的一般做法是將電極集成到芯片上，采用安培或電導(dǎo)法進(jìn)行檢測(cè)，其中電泳分離電壓對(duì)檢測(cè)電流的干擾是電化學(xué)檢測(cè)需要克服的問(wèn)題之一。用于電化學(xué)檢測(cè)的電極材料有碳糊、碳纖維、銅絲、金絲等。被檢測(cè)物質(zhì)有氨基酸、肽、碳水化合物、神經(jīng)遞質(zhì)等。把電泳分離、酶聯(lián)免疫和生物化學(xué)集成于一體的芯片實(shí)驗(yàn)室研究已有報(bào)道，已可能實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)檢測(cè)或多種免疫指標(biāo)的同時(shí)檢測(cè)。

   檢測(cè)的方式多種多樣,研究者們正努力將現(xiàn)有的檢測(cè)方法移植到芯片實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)上，如質(zhì)譜法、紫外-可見(jiàn)檢測(cè)法等等?，F(xiàn)行的質(zhì)譜儀一般都體積龐大，與芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展不匹配，不過(guò)，近來(lái)Polla等研制出了質(zhì)譜芯片，他們把離子化腔、加速電極、漂移腔、檢測(cè)陣列等器件集成在只有一枚硬幣大小的硅片上，檢測(cè)質(zhì)量達(dá)10-12克。

功能化試劑盒是各種專(zhuān)一性芯片實(shí)驗(yàn)室的特征性組成部分，它將寓于各種應(yīng)用之中。

2.芯片實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)

   芯片實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

其一、集成性。目前一個(gè)重要的趨勢(shì)是：集成的單元部件越來(lái)越多，且集成的規(guī)模也越來(lái)越大。所涉及到的部件包括：和進(jìn)樣及樣品處理有關(guān)的透析、膜、固相萃取、凈化;用于流體控制的微閥(包括主動(dòng)閥和被動(dòng)閥)，微泵(包括機(jī)械泵和非機(jī)械泵);微混合器，微反應(yīng)器，當(dāng)然還有微通道和微檢測(cè)器等。最具代表性的工作是美國(guó)Quake研究小組將3574個(gè)微閥、1000個(gè)微反應(yīng)器和1024個(gè)微通道集成在尺寸僅有3.3mm×6mm面積的硅質(zhì)材料上，完成了液體在內(nèi)部的定向流動(dòng)與分配。

其二、分析速度極快。Mathies研究小組在一個(gè)半徑僅為8厘米長(zhǎng)的園盤(pán)上集成了384個(gè)通道的電泳芯片。他們?cè)?25秒內(nèi)檢測(cè)了384份與血色病連鎖的H63D 突變株(在人HFE基因上)樣品，每個(gè)樣品分析時(shí)間不到一秒鐘。

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

其四、能耗低，物耗少，污染小。每個(gè)分析樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十個(gè)微升，被分析的物質(zhì)的體積只需納升級(jí)或皮升級(jí)。Ramsey最近報(bào)導(dǎo)，他們已把通道的深度做到80nm，這樣其體積達(dá)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(wàn)分之一或更少)，從而使需要處理的化學(xué)廢物極少，也就是說(shuō)，大大降低了污染。

其五、廉價(jià)，安全。無(wú)論是化學(xué)反應(yīng)芯片還是分析芯片由于上述特點(diǎn)隨著技術(shù)上的成熟，其價(jià)格將會(huì)越來(lái)越廉價(jià)。針對(duì)化學(xué)反應(yīng)芯片而言，由于化學(xué)反應(yīng)在微小的空間中進(jìn)行，反應(yīng)體積小，分子數(shù)量少，反應(yīng)產(chǎn)熱少，又因反應(yīng)空間體表面積大，傳質(zhì)和傳熱的過(guò)程很快，所以比常規(guī)化學(xué)反應(yīng)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(huán)保和安全。