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1. 芯片實驗室的要素

   按照目前的理解，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：一是芯片;二是分析儀，包括驅(qū)動源和信號檢測裝置;三是包含有實現(xiàn)芯片功能化方法和試劑盒。

   芯片本身涉及到兩個方面：一是尺寸;二是材料?，F(xiàn)有典型的芯片約為幾個平方厘米，一般的通道尺寸為10～100mm寬，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(10-9L)?？捎糜谛酒牟牧献畛Ｒ姷臑椴Ａ?，石英和各種塑料。玻璃和石英有很好的電滲性質(zhì)和優(yōu)良的光學性質(zhì)，可采用標準的刻蝕工藝加工，可用比較熟悉的化學方法進行表面改性，加工成本較高，封接難度較大。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，可用物理或化學方法進行表面改性，制作技術和玻璃芯片有較大的區(qū)別。

   樣品和試劑的充分接觸、反應或分離必須有外力的作用，這種外力一般為電場力、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產(chǎn)生電場力或泵產(chǎn)生正、負壓力作為驅(qū)動源。由芯片內(nèi)產(chǎn)生的信號需要被檢測，目前最常用的檢測手段是激光誘導熒光，此外還有電化學、質(zhì)譜、紫外、化學發(fā)光和傳感器等。激光誘導熒光檢測器主要由激光源、光學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;但現(xiàn)階段其體積仍然偏大。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小。

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

   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，如質(zhì)譜法、紫外-可見檢測法等等?，F(xiàn)行的質(zhì)譜儀一般都體積龐大，與芯片實驗室的發(fā)展不匹配，不過，近來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、檢測陣列等器件集成在只有一枚硬幣大小的硅片上，檢測質(zhì)量達10-12克。

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，它將寓于各種應用之中。

2.芯片實驗室的特點

   芯片實驗室的特點有以下幾個方面：

其一、集成性。目前一個重要的趨勢是：集成的單元部件越來越多，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關的透析、膜、固相萃取、凈化;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);微混合器，微反應器，當然還有微通道和微檢測器等。最具代表性的工作是美國Quake研究小組將3574個微閥、1000個微反應器和1024個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)部的定向流動與分配。

其二、分析速度極快。Mathies研究小組在一個半徑僅為8厘米長的園盤上集成了384個通道的電泳芯片。他們在325秒內(nèi)檢測了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。

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

其四、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升，被分析的物質(zhì)的體積只需納升級或皮升級。Ramsey最近報導，他們已把通道的深度做到80nm，這樣其體積達到皮升甚至更少。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分之一或更少)，從而使需要處理的化學廢物極少，也就是說，大大降低了污染。

其五、廉價，安全。無論是化學反應芯片還是分析芯片由于上述特點隨著技術上的成熟，其價格將會越來越廉價。針對化學反應芯片而言，由于化學反應在微小的空間中進行，反應體積小，分子數(shù)量少，反應產(chǎn)熱少，又因反應空間體表面積大，傳質(zhì)和傳熱的過程很快，所以比常規(guī)化學反應更安全。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。