当前许多发达国家已把现代科学仪器当做信息社会的源头和基础纳入其未来发展的战略重点，而分析仪器又是其中最重要的组成部分之一。最近，人类基因组计划的提前完成充分说明了先进的分析仪器与技术在现代高科技发展中的重要甚至关键作用。面临着21世纪科技发展中提出的众多挑战，分析仪器和分析科学也正经历着深刻的变革，其中一个日益明显的发展趋势就是化学分析设备的微型化、集成化、与便携化。当前，分析仪器的发展正在
出现一个以微型化为主要特征的、带有革命性的重要转折时期。在当前发展较快的微分析系统中以1990年由瑞士的Manz
和Widmer首先提出的“微全分析系统”(Micro Total Analysis
Systems，即μTAS)通俗地称为“建在芯片上的实验室”(Lab-on-a-chip)或简称芯片实验室( Labchip
)和目前媒体报道较多的“生物芯片”(Biochips)或称“微阵列芯片”(Microarray chips)发展势头最为猛烈。而在μTAS
中微流控芯片系统(Microfluidic chip systems )正处于当前发展的前沿，也最具广阔的发展前景。
四十年前微电子技术在信息科学的发展中引发了一场革命，并对20世纪的科技发展起了重要的推动作用。最近的发展表明，90年代开始的以微机电加工技术为基础的μTAS
，预计在未来十年内也将对分析科学乃至整个科学技术的发展发挥相似的作用。μTAS
是为了适应信息时代的需要，最早在1990年提出的。其最终目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，实现分析实验室的“个
人化”、“家用化”。当前的微分析系统可分为芯片式与非芯片式两大类(图1
)。目前芯片式是发展重点，其中依据芯片结构及工作机理又可分为微阵列(生物)芯片和μTAS
中的微流控芯片，二种技术间虽有少量交叉但基本经历了各自独立的发展过程。所依托的基础学科与技术以及应用领域也不尽相同。微阵列(生物)芯片，主要以生物技术为基础，以亲和结合技术为核心，以在芯片表面固定一系列可寻址的识别分子阵列为结构特征。它使用
方便，测定快速，但一般是一次性使用，并有很强的生物化学专用性。这类芯片在前几年发展较快，在国外已实现深度产业化，生产技术已趋于成熟，生产生物芯片的企业数以百计。微流控芯片则主要以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点。它把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可多次使用，因此具有更广泛的适
用性。
表一为生物芯片与微流控芯片性能比较。微芯片分析系统的出现不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到微升甚至纳升级，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍、百倍地下降，从而为分析测试技术普及到千家万户创造了条件。微流控芯片分析系统除涉及到大量的微加工技术和芯片材料的知识外，还涉及到广泛的基础理论和应用基础知识，例如微米通道中的传质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相关的研究提出了挑战。
2 微流控芯片型微全分析系统的简要发展史
微全分析系统的概念是在1990年首次由瑞士 Ciba-Geigy 公司的Manz与Widmer提出 [1]
，当时主要强调了分析系统的“微”与“全”，及微管道网络的MEMS加工方法,而并未明确其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析,从而把微系统的主要构型定位为一般厚度不超过5
毫米，面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片[2]。但直到1994年之前这一新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等[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。在此形势下，该年首届(μ-TAS 会议以工作室的形式在荷兰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Berkeley分校的 Mathies等人[4] 在微流控芯片上实现了高速DNA
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公司在美成立，虽然只有三十多名雇员，但一年即集资近千万美元。1996年Mathies等 [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试样处理方面的潜力，次年他们又实现了微流控芯片上的多通道毛细管电泳 DNA
测序，从而为微流控芯片在基因分析中的实际应用提供了重要基础。
与此同时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也在加紧进行，98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器生产厂家(其中包括惠普、P-E
、岛津、日立等)合作，利用各自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪器。1999年9 月惠普与Caliper
联合研制的首台微流控芯片商品化仪器开始在欧美市场销售，至今年8 月已可提供用于核酸及蛋白质分析的5-6
种芯片[6]。其他几家厂商也于今年开始将其产品推向市场。
为了使与微全分析系统研究有关的各学科的学者有机会在同一个会议中进行交,1994年在荷兰Enschede举行了首届国际微全分析系统学术会议,其中也包括了生物芯片的内容,当时仅160余人参加。由于该次会议的成功，1996年在瑞士巴塞尔举行的第二届会议上，与会人数增至275
人，于1998年在加拿大Banff举行的第三届会议上又猛增至420人，于是决定由每两年举行一次会议改为每一年半举行一次。2000年5
月又一次在Enschede举行
的第四届会议与会人数又增至600 以上，使组织者不得不设立分会场。为了保证会议的高质量，在会议收到的230
篇稿件中，只采用了143
篇，而我国大陆无一篇论文入选。会议充分反映出这一科技前沿领域的异常活跃及高速发展，同时也反映出各科技强国在此领域的激烈竞争。继微阵列生物芯片之后，微流控分析芯片已成为微分析系统当前的发展前沿，其会议论文数占总数的87%
，而前者仅占约4%。第四届(-TAS会议的召开是对微全分析系统发展的一次全面检阅，它预示着微全分析系统的一个更大的发展高潮即将到来。
4 微流控分析芯片应用的某些重要领域
从微流控芯片的分析性能看，其未来的应用领域将十分广泛，但目前的重点显然在生物医药方面。除此之外，环境监测、食品卫生、刑事科学及国防方面也会成为重要的应用领域。现仅举二三例说明微流控芯片分析系统的巨大生命力。
毛细管电泳(CE)目前已广泛用于DNA
片段分级及测序中。阵列毛细管电泳则在人类基因组计划中发挥了极其重要的作用。然而传统CE中的电动进样不仅效率较低，还对试样中盐的浓度比较敏感，并对较长的DNA
片段有歧视效应。当阵列毛细管数量增大时，制作合格阵列的难度也随之增大。这些困难在微流控阵列毛细管芯片上都得到了很好解决，且由于进样体积小，毛细管长度较短，分离速度也明显缩短。图2
为99年Agilent 公司推出的商品化仪器Bioanalyzer 2100测定DNA
的CE芯片。其中间通道为分离通道，仅长约15mm。片上四个较大的孔为缓冲液及标准梯形条带试样池，12个较小的孔为试样池，分别通向分离通道并与之交叉。当每个液池同时插入电极，并按一定次序通以高电压或切断时，12个试样按十字通道进样的相似原理，相继注入分离通道，仅用20多秒DNA
片断即达到分离，并立即在通道终端用激光诱导荧光法进行检测。全部12个试样的测定约需30分钟。芯片价值数美元,为一次性使用,测定12个试样后即弃去。加州大学伯克利分校Mathies的研究组则在99年提出了集96个分离通道于一个如CD光盘的微流控阵列毛细管芯片上(见图3
)，用此芯片仅用2 分钟便平行测定了96个DNA试样的片段。
微流控芯片另一效果突出的应用为Manz 的研究组提出的聚合酶链反应(PCR)微流控芯片扩增反应器[7].PCR 是微量DNA
试样中必需的前处理操作，扩增的基本步骤是控制装有试样及扩增试剂的反应器。温度在变性(约95℃)、退火(约60℃)及延伸(约77℃)三个阶段中的循环。经过20个循环的DNA
可扩增达百万倍。操作虽然简单，但很繁琐，虽然自动化的商品化仪器可缩短操作时间，但仪器体积较大且昂贵。Manz等提出的微流控系统
是一种微型化的流水线反应器，芯片上的通道每个循环经过由三个加热铜块提供的变性、退火及延伸温区，总共循环20次(见图4
)。用此装置最快时90s 后即可得到扩增的DNA 试样，不但仪器体积缩小,减少了试样和试剂消耗，还提高了扩增速度。PCR 芯片还同时提供了与DNA
测序芯片联用或集成化的可能性。图5 是浙江大学微分析系统研究所研制的PCR芯片局部通道和实验装置。
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从第四届国际微全分析系统学术会议((TAS-2000)看分析系统微型化的发展趋势
(1 )开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开发阶段。(2 )从以毛细管电泳分离为核心分析技术发展到液-
液萃取、过滤、无膜扩散等多种分离手段。(3 )从以电渗流为主要液流驱动手段发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段。(4
)从单道检测发展到多重平行检测，芯片毛细管电泳分离最多已达到96条通道同时进行DNA 测序。(5
)从以激光诱导荧光及光度法为主要检测器发展到多种检测手段，如电化学、质谱、原子光谱、光声光谱、化学发光等。(6
)从单纯分析检测发展为包括复杂试样前处理的高功能全分析系统。(7
)从成分分析工具发展到包括在线检测的微型化学反应与合成手段，在新药物筛选中显示出强大的生命力。(8
)从一般成分分析发展为单分子、单细胞分析。
6 展望
从目前的发展水平看，微流控分析芯片已突破其发展初期在加工技术及基本流控技术上的主要难关，正在进入一个开展更深入的基础研究，广泛扩大应用领域，及深度产业化的转折时期。预计这一时期不会很长，少则二、三年，多则六、七年，以微流控芯片为核心的微分析系统将取代当前化学分析实验室的很多设备，使化学分析进入病房、生产现场甚至家庭。在此基础上再经过三、五年，能监测自身生化指标及基因变异、食品卫生及环境状况的便携式“个人化验室”将可能成为现实。
