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微流控芯片的历史(HISTORY OF LAB-ON-A-CHIP)

2021.5.31

  微流控芯片技术与微半导体技术的历史有着密切的联系。为了推进阿波罗计划,美国投资了数十亿美元,以便将计算器小型化,从而适合将其发送到太空。 在50年代初,研究人员就开始利用摄影学造了“光刻技术”,用于制造微型晶体管,从而诞生了精细加工和微制作技术。 这些发现和新技术的运用也导致了最后的技术革命,从而诞生了现代信息技术和电信通讯。

  约十年之后,在六十年代,研究人员利用这些技术来制造称为MEMS(微电子机械系统Micro-electromechanical Systems)的微机械结构,使得能够生产用于诸如安全气囊和智能手机的日常使用的微型化加速度器和感应器。

  第一个真正使用这些制造技术的微流控芯片实验,于1979年在斯坦福大学气相色谱研究中创建[2]。 然而,随着微流控技术的和微加工技术在聚合物芯片生产过程中的发展,微流控芯片研究大多于80年代末开展,而这种对聚合物的微型加工技术也出现了它固有的名称软光刻( soft-lithography)[3]。

  用于微电子行业的的硅片制造已获得成功,但这需要高成本投资和专业知识。更为容易制造的聚合物微芯片使得许多研究实验室能够展开微流控芯片领域的研究。 今天,甚至可以在没有洁净室的实验室中制造全定制的微流控芯片装置。

  在90年代,有更多的研究人员开始探索微流控技术,并试图使分子生物化学操作(如PCR)进行微型化。而早期微流控芯片研究更侧重于细胞生物学,这是由于考虑到微通道的尺寸与细胞尺寸基本相符。这些技术上的进步使研究者能够轻松地在单细胞水平上首次进行操作。此外,更多的生物化学操作的微型化的研究大量开展,如PCR,电泳,DNA微阵列,细胞裂解等。最终,研究人员开始将所有从样品采集到最终分析的步骤整合到一块芯片上,展示了微流控芯片技术的巨大潜力。 这种实验室芯片设备允许研究人员执行从采样到分析的所有操作,通常称为微型总分析系统(μTAS)[4-5]。

  美国国防部高级研究计划局(DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency)和DGA等军事机构对实验室芯片技术很感兴趣,因为这样的技术能够使他们尽快发现部队和平民遭遇到的生物威胁。 像30年前的半导体和太空探索计划一样,这些机构投入大量资金推动了微流控芯片技术的研究。

  时至今日,所有微流控芯片系统的绝大部主要应用已被研究。在一些应用中,微流控芯片不仅显示了集成和并行的能力,同时拥有卓越的演示性能(与现有技术相比)。例如,在用于PCR的流控芯片技术来克隆病原体检测DNA,同传统方法相比能够更快的被放大[6]。

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