芯片实验室及其发展趋势

上一篇 / 下一篇  2010-11-03 18:55:30 / 个人分类:科研

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周小棉   中国科学大连化学物理研究所[2],116023 *联系人地址:中国科学院大连化学物理研究所,116023,email:zhouximi@hotmail.com

  摘要:介绍芯片实验室的一般特点、应用、发展历史和现状。分别讨论相关技术的发展趋势,并对其应用前景提出展望。

  关键词:芯片实验室、微流控芯片、微全分析系统


  一、前言

  芯片实验室(Lab-on-a-chip)或称微全分析系统(Miniaturized Total Analysis System, µ-TAS)是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成一块几平方厘米的芯片上,用以完成不同的生物或化学反应过程,并对其产物进行分析的一种技术[1]。它是通过分析化学、微机电加工(MEMS)、计算机、电子学、材料科学与生物学、医学和工程学等交叉来实现化学分析检测即实现从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化这一目标。最近的发展表明,90年代初由Manz[2]等人提出的以微电子加工技术为依托的芯片实验室的发展将会象四十年前微电子技术在信息科学的发展中引发一场革命一样,预计芯片实验室将在未来的发展中对分析科学乃至整个科学技术以及相关的产业界产生相似的作用。计算机芯片使计算微型化,而芯片实验室使实验室微型化,因此,在生物医学领域它可以使珍贵的生物样品和试剂消耗降低到微升甚至纳升级,而且分析速度成倍提高,成本成倍下降;在化学领域它可以使以前需要在一个大实验室花大量样品、试剂和很多时间才能完成的分析和合成,将在一块小的芯片上花很少量样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验;在分析化学领域,它可以使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪,将大大节约资源和能源。芯片实验室由于排污很少,所以也是一种“绿色”技术。


  二、 芯片实验室的发展历史与国内现状

  芯片实验室或称微全分析系统是由瑞士Ciba -Geigy公司的Manz与Widmer[2]在1990年提出。他们最初的想法是发展一种可能作为一个化学分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件,强调“微”与“全”。所以把µ-TAS看作是化学分析仪器的微型化。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析,借电渗流实现了混合荧光染料样品注入和成功电泳分离。但直到1997年这段时间里该领域的发展前景并不十分明朗。1994年始,美国橡树岭国家实验室Ramsey[3]在Manz的工作基础上发表了一系列论文,改进了芯片毛细管电泳的进样方法,提高了其性能与实用性,引起了更广泛的关注。在此形势之下,第一届Lab-on-a-chip or µTAS国际会议在荷兰Enchede举行,起到了推广微全分析系统的作用。1995年美国加州大学的Mathies等[4]在微流控芯片上实现了DNA等速测序,微流控芯片的商业开发价值开始显现,而此时微阵列型的生物芯片已进入实质性的商品开发阶段。同年9月,首家微流控芯片企业Caliper Technologies公司在美国成立。1996年Mathies[5]又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应(PCR)扩增与毛细管电泳集成在一起,展示了微全分析系统在生物医学研究方面的巨大潜力。与此同时,有关企业中的微流控芯片研究开发工作也加紧进行。1998年之后,专利之战日益激烈,一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪生产厂家合作,Agilent与Caliper联合利用各自的技术优势推出首台这方面的分析仪器Bioanalyzer2100及相应的分析芯片,其它几家厂商也于近年开始将其产品推向市场。据不完全统计,目前全世界已至少有30多个重要的实验室(包括MIT,Stanford大学、加州大学柏史莱分校、美国橡树岭国家实验室等)在从事这一领域的开发和研究。

  然而,近年来,国内有多家大学和研究所的实验室已开始了这方面的研究。整体而言,这些院所所开展的工作尚处在起步阶段,多数是从毛细管电泳或流动注射分析所得到的技术积累转移至芯片平台上进行研究,虽然起步较晚,但行动较快。以中国科学院大连化物所林炳承课题组研制出了准商品化的激光诱导荧光芯片分析仪和电化学芯片分析仪和相关的塑料分析芯片[6], 浙江大学亦推出了玻璃分析芯片[7]等为代表的一些研究单位已进行了卓有成效的研究,但是企业尚未真正投入到此行业中来。


  三、芯片实验室的要素与基本特点

  1. 芯片实验室的要素

  按照目前的理解,芯片实验室是富有一定功能的,功能化芯片实验室大体包括三个部分:一是芯片;二是分析仪,包括驱动源和信号检测装置;三是包含有实现芯片功能化方法和试剂盒。

  芯片本身涉及到两个方面:一是尺寸;二是材料。现有典型的芯片约为几个平方厘米,一般的通道尺寸为10~100mm宽,5~30mm深,长度约为 3~10cm。其通道总体积较一般电泳毛细管小一个数量级左右约纳升级(10-9L)。可用于芯片的材料最常见的为玻璃,石英和各种塑料。玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质,可采用标准的刻蚀工艺加工,可用比较熟悉的化学方法进行表面改性,加工成本较高,封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),弹性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚碳酯(PC)等,它们成本低,可用物理或化学方法进行表面改性,制作技术和玻璃芯片有较大的区别。

  样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用,这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。人们常采用高压电源产生电场力或泵产生正、负压力作为驱动源。由芯片内产生的信号需要被检测,目前最常用的检测手段是激光诱导荧光,此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。激光诱导荧光检测器主要由激光源、光学透镜组和以光电倍增管或CCD为主的荧光信号接收器件组成。特点是检测灵敏度高,被广泛采用;但现阶段其体积仍然偏大。驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分,其体积的大小直接决定了芯片分析仪的大小,因此人们正努力追求将这两部分做到最小。

  电化学检测由于其体积较小,与高压电源一起可制成便携式分析仪在尺寸上和芯片实验室的概念匹配,加之有电化学响应的物质很多,所以在芯片中的应用研究较多。电化学检测器的一般做法是将电极集成到芯片上,采用安培或电导法进行检测,其中电泳分离电压对检测电流的干扰是电化学检测需要克服的问题之一。用于电化学检测的电极材料有碳糊、碳纤维、铜丝、金丝等。被检测物质有氨基酸、肽、碳水化合物、神经递质等。把电泳分离、酶联免疫和生物化学集成于一体的芯片实验室研究已有报道,已可能实现多人同时检测或多种免疫指标的同时检测。

  诚然,检测的方式多种多样,研究者们正努力将现有的检测方法移植到芯片实验室的检测上,如质谱法、紫外-可见检测法等等。现行的质谱仪一般都体积庞大,与芯片实验室的发展不匹配,不过,近来Polla[8]等研制出了质谱芯片,他们把离子化腔、加速电极、漂移腔、检测阵列等器件集成在只有一枚硬币大小的硅片上,检测质量达10-12克。

  功能化试剂盒是各种专一性芯片实验室的特征性组成部分,它将寓于各种应用之中。

  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[9]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。

  

图1:大规模集成的微液路芯片

  其二、分析速度极快。Mathies研究小组[10]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[9]和Mathies[10]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[11],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[12]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[13]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[14]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[15]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等[16]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[17]。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[19]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等[20]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等人[21]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等人[22]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等[23]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等[24]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等[25]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。


  五、芯片实验室发展趋势

  芯片实验室由于它的发展涉及很多学科,又由于研究者的专长和兴趣不同,研究的侧重点不同,因此重现出发展的多样性,总的发展朝着更加完善的方向发展。

  1.芯片制造由手工为主的微机电(MEMS)技术生产逐渐朝自动化、数控化的亚紫外激光直接刻蚀微通道方向发展。

  2.将泵、阀、管道、反应器等集于一体,呈高度集成化。最具代表性的工作是美国Quake研究小组[9]将三千多个微阀、一千个微反应器和一千多条微通道集成在尺寸仅有几十个平方毫米面积的硅质材料上,完成了液体在内部的定向流动与分配。

  3.用于芯片实验室制造的材料呈现出多样式,朝着越来越便宜的方向发展。由最初的价格昂贵的玻璃和硅片为材料,发展成为以便宜的聚合物材料,如聚二甲基硅烷(PDMS)、聚甲基异丁烯酸(PMMA)和聚碳酸酯(PC)等。因而,为将来的一次性使用提供了基础。

  4.由于不同样品分离检测的需要,分离通道表面的改性呈现出多样性发展。用磺化、硝化、胺化及把带双官能团的化合物耦合到表面的胺基上的办法加以修饰可获得各种分子组分的表面;用EDA、PDA、CAB、SPH及有机硅烷和无机氧化物等[26-29]加以修饰微通道表面,以改善吸附特性,改变疏水性和控制电动力学效应以提高分离效率。

  5.芯片实验室的驱动源从以电渗流发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段。一种利用离心力的芯片已经商品化,被称为Lab-on-a-CD,因为该芯片形状象一个小CD盘[30]。

  6. 芯片实验室的检测技术朝着多元化发展。目前最常用的检测器是荧光和电化学检测器。随着固态电子器件的发展,一些传统的检测方法也进入这一领域,如采用半导体微波源的MIPAES检测、不需标记的SPR检测、快速阻抗谱(FIS)检测、NIR时间分辨荧光检测。

  7.应用方向:芯片实验室已从主要应用的生命科学领域扩展到其它领域。例如用于DNA、RNA、蛋白质等方向分析检测,还用于化学和生物试剂、环境污染的监测;监控微秒级的化学和生物化学反应动力学;用于许多化学合成反应的研究,药物和化学合成与筛选等[31]。因此,芯片实验室不仅为分析化学家,也为合成化学家特别是药物合成化学家打开了通往无限美好明天的大门。

  8.芯片实验室产业化发展越来越明显、越快速。由于它的基础研究和技术研究越来越专和精,使整体技术发展速度加快,再加之它朝着检测功能化方面发展,其应用前景越来越广。因此,产业化前景看好,有可能成为新的经济增长点。

  

  参考文献

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