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芯片實驗�
閱讀�5998時間�2010-12-01 14:57:08

  芯片實驗室(lab on a chip)也稱微全分析系�(tǒng),是指把生物和化�(xué)�(lǐng)域中所涉及的樣品制�、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測等基本操作單位集成或基本集成在一塊幾平方厘米的芯片上,用以完成不同的生物或化�(xué)反應(yīng)過程,并對其�(chǎn)物進行分析的一種技�(shù)。它是通過分析化學(xué)、微機電加工�MEMS�、計算機、電子學(xué)、材料科�(xué)與生物學(xué)、醫(yī)�(xué)和工程學(xué)等交叉來實現(xiàn)化學(xué)分析檢測即實�(xiàn)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(biāo)�

�(fā)展及�(xiàn)狀

  芯片實驗室或稱微全分析系�(tǒng)是由瑞士Ciba-Geigy 公司的Manz 與Widmer  �1990 年提�。他們最初的想法是發(fā)展一種可能作為一個化�(xué)分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件,強�(diào)“微”與“全�。所以把-TAS 看作是化�(xué)分析儀器的微型��1993 年Harrison 和Manz 等人在平板微芯片上實�(xiàn)了毛細管電泳與流動注射分析,借電滲流實現(xiàn)了混合熒光染料樣品注入和成功電泳分離。但直到1997 年這段時間里該�(lǐng)域的�(fā)展前景并不十分明朗�1994 年始,美國橡樹嶺國家實驗室Ramsey 在Manz 的工作基�(chǔ)上發(fā)表了一系列論文,改進了芯片毛細管電泳的進樣方法,提高了其性能與實用�,引起了更廣泛的�(guān)�。在此形勢之下,屆Lab-on-a-chip or TAS 國際會議在荷蘭Enchede 舉行,起到了推廣微全分析系統(tǒng)的作��1995 年美國加州大�(xué)的Mathies � 在微流控芯片上實�(xiàn)了DNA 等速測�,微流控芯片的商�(yè)開發(fā)價值開始顯�(xiàn),而此時微陣列型的生物芯片已進入實質(zhì)性的商品開發(fā)階段。同�9 �,微流控芯片企業(yè)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�(yīng)(PCR)擴增與毛細管電泳集成在一�,展示了微全分析系統(tǒng)在生物醫(yī)�(xué)研究方面的巨大潛�。與此同�,有�(guān)企業(yè)中的微流控芯片研究開�(fā)工作也加緊進行�1998 年之�,專利之�(zhàn)日益激烈,一些微流控芯片開發(fā)企業(yè)紛紛與世界著名分析儀生產(chǎn)廠家合作,Agilent 與Caliper �(lián)合利用各自的技�(shù)�(yōu)勢推出首臺這方面的分析儀器Bioanalyzer2100 及相�(yīng)的分析芯�,其它幾家廠商也于近年開始將其產(chǎn)品推向市�。據(jù)不完全統(tǒng)�,目前全世界已至少有30 多個重要的實驗室(包括MIT,Stanford 大學(xué)、加州大�(xué)柏史萊分�、美國橡樹嶺國家實驗室等)在從事這一�(lǐng)域的開發(fā)和研究�

  然�,近年來,國�(nèi)有多家大�(xué)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�(shù)是從毛細管電泳或流動注射分析所得到的技�(shù)積累�(zhuǎn)移至芯片平臺上進行研究,雖然起步較�,但行動較快。以中國科學(xué)院大連化物所林炳承課題組研制出了�(zhǔn)商品化的激光誘�(dǎo)熒光芯片分析儀和電化學(xué)芯片分析儀和相�(guān)的塑料分析芯� � 浙江大學(xué)亦推出了玻璃分析芯片 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�(yè)尚未真正投入到此行業(yè)中來

要素

  按照目前的理�,芯片實驗室是富有一定功能的,功能化芯片實驗室大體包括三個部分:一是芯�;二是分析儀,包括驅(qū)動源和信號檢測裝�;三是包含有實現(xiàn)芯片功能化方法和試劑��

  芯片本身涉及到兩個方面:一是尺�;二是材�?,F(xiàn)有典型的芯片約為幾個平方厘米,一般的通道尺寸�10�100mm ��5�30mm 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(shù)量級左右約納升級�10 �9 L)。可用于芯片的材料最常見的為玻璃,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�(biāo)�(zhǔn)的刻蝕工藝加�,可用比較熟悉的化學(xué)方法進行表面改性,加工成本較高,封接難度較�。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)方法進行表面改�,制作技�(shù)和玻璃芯片有較大的區(qū)��

  樣品和試劑的充分接觸、反�(yīng)或分離必須有外力的作用,這種外力一般為電場�、正壓力、負壓力或微管虹吸原理產(chǎn)生的力。人們常采用高壓電源�(chǎn)生電場力或泵�(chǎn)生正、負壓力作為�(qū)動源。由芯片�(nèi)�(chǎn)生的信號需要被檢測,目前最常用的檢測手段是激光誘�(dǎo)熒光,此外還有電化學(xué)、質(zhì)�、紫外、化�(xué)�(fā)光和傳感器等。激光誘�(dǎo)熒光檢測器主要由激光源、光�(xué)透鏡組和以光電倍增管或CCD 為主的熒光信號接收器件組成。特點是檢測靈敏度高,被廣泛采用;但�(xiàn)階段其體積仍然偏�。驅(qū)動源和檢測裝置是芯片實驗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��

  電化�(xué)檢測由于其體積較�,與高壓電源一起可制成便攜式分析儀在尺寸上和芯片實驗室的概念匹�,加之有電化�(xué)響應(yīng)的物�(zhì)很多,所以在芯片中的�(yīng)用研究較�。電化學(xué)檢測器的一般做法是將電極集成到芯片�,采用安培或電導(dǎo)法進行檢測,其中電泳分離電壓對檢測電流的干擾是電化�(xué)檢測需要克服的問題之一。用于電化學(xué)檢測的電極材料有碳糊、碳纖維、銅�、金絲等。被檢測物質(zhì)有氨基酸、肽、碳水化合物、神�(jīng)遞質(zhì)�。把電泳分離、酶�(lián)免疫和生物化�(xué)集成于一體的芯片實驗室研究已有報�,已可能實現(xiàn)多人同時檢測或多種免疫指�(biāo)的同時檢��

  誠然,檢測的方式多種多樣,研究者們正努力將現(xiàn)有的檢測方法移植到芯片實驗室的檢測上,如�(zhì)譜法、紫�-可見檢測法等�?,F(xiàn)行的�(zhì)譜儀一般都體積龐大,與芯片實驗室的�(fā)展不匹配,不�,近來Polla等研制出了質(zhì)譜芯片,他們把離子化腔、加速電�、漂移腔、檢測陣列等器件集成在只有一枚硬幣大小的硅片�,檢測質(zhì)量達10 -12 ��

  功能化試劑盒是各種專一性芯片實驗室的特征性組成部分,它將寓于各種�(yīng)用之��

特點

  芯片實驗室的特點有以下幾個方面:

  一、集成��

  目前一個重要的趨勢是:集成的單元部件越來越�,且集成的規(guī)模也越來越大。所涉及到的部件包括:和進樣及樣品處理有�(guān)的透析、膜、固相萃�、凈�;用于流體控制的微閥(包括主動閥和被動閥�,微泵(包括機械泵和非機械泵�;微混合�,微反應(yīng)�,當(dāng)然還有微通道和微檢測器等。代表性的工作是美國Quake 研究小組�3574 個微��1000 個微反應(yīng)器和1024 個微通道集成在尺寸僅�3.3mm×6mm 面積的硅�(zhì)材料�,完成了液體在內(nèi)部的定向流動與分��

  二、分析速度極快�

  Mathies 研究小組在一個半徑僅�8 厘米長的園盤上集成了384 個通道的電泳芯�。他們在325 秒內(nèi)檢測�384 份與血色病連鎖的H63D 突變株(在人HFE 基因上)樣品,每個樣品分析時間不到一秒鐘�

  �、高通量�

  如上所述的Quake 和Mathies兩個研究小組的研究成果已顯示出這一特點�

  四、能耗低,物耗少,污染小�

  每個分析樣品所消耗的試劑僅幾微升至幾十個微�,被分析的物�(zhì)的體積只需納升級或皮升�。Ramsey 最近報�(dǎo),他們已把通道的深度做�80nm,這樣其體積達到皮升甚至更�。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分之一或更少),從而使需要處理的化學(xué)廢物極少,也就是�,大大降低了污染�

  �、廉�,安全�

  無論是化�(xué)反應(yīng)芯片還是分析芯片由于上述特點隨著技�(shù)上的成熟,其價格將會越來越廉�。針對化�(xué)反應(yīng)芯片而言,由于化�(xué)反應(yīng)在微小的空間中進行,反�(yīng)體積�,分子數(shù)量少,反�(yīng)�(chǎn)熱少,又因反�(yīng)空間體表面積大,傳質(zhì)和傳熱的過程很快,所以比常規(guī)化學(xué)反應(yīng)更安�。而分析芯片因污染�,而且可采用可降解生物材料,所以更�(huán)保和安全�

�(fā)展趨�

  片實驗室由于它的�(fā)展涉及很多學(xué)�,又由于研究者的專長和興趣不�,研究的�(cè)重點不同,因此重�(xiàn)出發(fā)展的多樣性,總的�(fā)展朝著更加完善的方向�(fā)��

  1.芯片制造由手工為主的微機電(MEMS)技�(shù)生產(chǎn)逐漸朝自動化、數(shù)控化的亞紫外激光直接刻蝕微通道方向�(fā)��

  2.將�、閥、管�、反�(yīng)器等集于一�,呈高度集成化。代表性的工作是美國Qu ake 研究小組 將三千多個微�、一千個微反應(yīng)器和一千多條微通道集成在尺寸僅有幾十個平方毫米面積的硅質(zhì)材料�,完成了液體在內(nèi)部的定向流動與分��

  3.用于芯片實驗室制造的材料呈現(xiàn)出多樣式,朝著越來越便宜的方向發(fā)�。由最初的價格昂貴的玻璃和硅片為材�,發(fā)展成為以便宜的聚合物材料,如聚二甲基硅烷(PDMS�、聚甲基異丁烯酸(PMMA)和聚碳酸酯(PC)等。因�,為將來的一次性使用提供了基礎(chǔ)�

  4.由于不同樣品分離檢測的需�,分離通道表面的改性呈�(xiàn)出多樣性發(fā)展。用磺化、硝�、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 及有機硅烷和無機氧化物等加以修飾微通道表面,以改善吸附特�,改變疏水性和控制電動力學(xué)效應(yīng)以提高分離效率�

  5.芯片實驗室的驅(qū)動源從以電滲流發(fā)展到流體動力、氣壓、重�、離心力、剪切力等多種手�。一種利用離心力的芯片已�(jīng)商品化,被稱為Lab-on-a-CD,因為該芯片形狀象一個小CD 盤�

  6� 芯片實驗室的檢測技�(shù)朝著多元化發(fā)�。目前最常用的檢測器是熒光和電化�(xué)檢測�。隨著固�(tài)電子器件的發(fā)�,一些傳�(tǒng)的檢測方法也進入這一�(lǐng)域,如采用半�(dǎo)體微波源的MIPAES 檢測、不需�(biāo)記的SPR 檢測、快速阻抗譜(FIS)檢�、NIR 時間分辨熒光檢測�

  7.應(yīng)用方向:芯片實驗室已從主要應(yīng)用的生命科學(xué)�(lǐng)域擴展到其它�(lǐng)�。例如用于D NA、RNA、蛋白質(zhì)等方向分析檢�,還用于化學(xué)和生物試劑、環(huán)境污染的�(jiān)�;監(jiān)控微秒級的化�(xué)和生物化�(xué)反應(yīng)動力�(xué);用于許多化�(xué)合成反應(yīng)的研�,藥物和化學(xué)合成與篩選等。因�,芯片實驗室不僅為分析化�(xué)�,也為合成化�(xué)家特別是藥物合成化學(xué)家打開了通往無限美好明天的大門�

  8.芯片實驗室�(chǎn)�(yè)化發(fā)展越來越明顯、越快�。由于它的基�(chǔ)研究和技�(shù)研究越來越專和精,使整體技�(shù)�(fā)展速度加快,再加之它朝著檢測功能化方面�(fā)�,其�(yīng)用前景越來越廣。因�,產(chǎn)�(yè)化前景看好,有可能成為新的經(jīng)濟增長點�

維庫電子�,電子知識,一查百��

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