專用性芯片實驗室

在芯片上建立實驗室——這一迷人的設想一直鼓舞激勵著全世界無數從事于微系統控制技術、微流控制裝置、生物工程和儀器制造領域的研究者。應用者期待這種系統能夠惠及用戶、操作簡捷、測定結果可靠和精準，同時又能讀出多種參數并可以長期投入使用。可惜盡管付出了許多努力，迄今為止仍然不能提出一種能夠在所有領域的日常實驗室中全面應用的統一版本。但與此同時，市場上也已經出現了一些具有潛力的解決方案。比如，已有一些快速分析測試條（例如受孕快速測試）采用“側向橫流測試法”和“毛細管測試條”。除了上述這些測試條之外，還有一些微流控制的平臺技術，可以在其基礎之上建立起芯片實驗室。每一種這樣的平臺定義著一種基本功能準則，例如流體的傳輸、樣品的應用、試劑的混合、過濾、檢測以及執行這些操作必需的功能單元。這些都可以通過預設的過程文件以集成的方式寫入芯片體系中。由此可以建立起一個專用性芯片實驗室，用來實現預先設置的目標。

微流控制裝置的系統平臺

運行于微型管道中的液體傳輸體現了這類液體的基本傳輸原理。由于管壁的摩擦，在微型管道中形成一種速度剖面圖。此時接近管壁的體積單元的傳輸速度要慢于管壁中心的體積單元的傳輸。這種速度分配差異，導致了體積單元沿傳輸方向上的污染混雜。這種弊端可以通過引入兩相體系加以消除。通過加入與待分析液體不能互溶的一種分離液體（例如將油加入水中），可以將樣品流體切割成小段的斷線液珠進行傳輸。此時，形成的類似于小珍珠串的體積元素通過管道的中央進行傳輸（圖1）。借助于這一原理，可以有效防止液體向鄰近的液滴轉移。

圖1.  基于液滴傳輸的微流控制裝置的芯片實驗室基本元件示意圖。用于進行基本操作的功能元件，如液滴的發生、運行、分析和歸類，都已采用相應文件的形式寫入和集成到流程網絡中。

由此將開啟一種美妙的可能性，讓每一滴液體作為單一的樣品在體系中流過，以這種方式呈序列性地執行高通量分析。雖然這一概念早于20世紀80年代已經提出并曾加以試驗，但只在最近7年來，在那些引入了微控制系統和微流控制裝置的領域才有了實際的發展。其間在此概念基礎之上發展了一種能夠代表科學和商業利益的系統平臺。應用這種技術的領域包括了微反應技術、生物工程、分子生物學、生物醫學研究、藥品和藥物研發。這一原理早期成功的例子包括細胞培養和利用液滴進行全細胞分析。圖1為2003年的應用流程圖。其內容涉及所需的功能單元用以執行有關基本操作，如液滴產生、液滴運行、液滴內容分析、分類和培養，這在當時成為了唯一實現的模塊化微流控制芯片。而今的發展則過渡到以制造單片芯片實驗室器件為標志，因而其費用要低于一次性器件。

圖2.  基于液滴傳輸的微流控制裝置的基本操作示意圖

智能型功能結構的快速建立

基于液滴的微流控制裝置其最突出的性質就在于可以利用其相分隔的勢能和動力。在毛細管中推動液柱上升的相同的動力，可以用作微流控制網絡中的程序開關和基于液滴的邏輯操作開關。

自發進行的過程和基于液滴的調節循環的過程，這二者是有區別的。圖3和圖4分別顯示了這兩類功能元素。在所有情況下，所產生的功能都是因為相分離而引起的具有潤濕性能的力、流體動力學的力以及功能結構的幾何形狀的共同作用的結果。對于自發進行的過程，最簡單的情況是在裝配有噴嘴的“T”型匯合處的液滴的生成（圖3）。液滴滴落的時刻正好是該液滴在管道中長大至接觸到對面的管壁之時。此處所形成的液滴的體積可以借助于結構特性預先加以確定。

圖3.  在裝配有噴嘴的“T”型混合管處進行的、載有酵母細胞的液滴產生的成像圖。液體被連續地推進，當管道中的液滴逐漸長大，碰到位于對面的管壁時，便發生了液滴的斷裂。

圖4.  按照1:1比例自行同步融合的斷線液珠的成像圖。A） 第一滴液滴接近匯合處時便被阻擋住。B） 從支管輸入礦物油前來與配偶液滴匯合。C） 雙方匯合形成液滴后，從功能結構管中流出。

與此相反，當來自網絡的不同支管的兩種液滴按照1：1的比例同步進行混合時，在這種情況下，需要執行閉路式的調制循環。此時首先到達匯合處的液滴必須等待行將與其匯合的對方液滴伴侶的到來。這一要求可以通過設計適當的匯合管道結構和集成一根支管來實現。這種結構將首先到達的（第一種）液滴阻擋下來，讓后將另一邊的（第二種）液滴從支管導入。匯合管道結構處于關閉狀態，直到后續液滴從另一邊到達匯合點，然后由此匯合的液滴便從該結構處導出。于是，同時又恢復到初始狀態，又可以進行下一輪1:1液滴溶合過程了。

芯片實驗室系統的研發工作

研發工作的結果為芯片實驗室提供了集成用的、廣泛集合的功能單元。從而為利用單一芯片實驗室靈活執行用戶自行定義的方法流程奠定了基礎。

研發過程基于圖5所示的工作流程圖，從分析用戶給定的過程文件開始，然后著手進行模塊化的系統設計。用于在芯片實驗室上實現電子自動化方案所必需的軟件組成已經在研發之中。試驗樣機的研制是建立在微系統控制技術業已成功的方法基礎之上的。在應用中引入的全玻璃技術（All-Glas-Technologie）早已在過去展示了優良性能。已經發展了一系列芯片實驗室的樣機用于流動-PCR、細胞培養微技術、全細胞檢測，以及利用表面強化的拉曼光譜進行的藥物超靈敏定量分析并獲得成功應用。

圖5.  專用性芯片實驗室元件的研發與提供使用工作流程圖。

新近的發展集中在如何將所研發的結果移植到大規模生產的工藝上去。通過與Bestelmann 股份公司的下屬企業 Arvato Digitak 服務公司的合作，可以將大規模生產CD-ROM和DVD所用的噴鑄方法移植過來，用于大規模復制在玻璃上進行幾何形狀蝕刻和用于大規模制造微型管道結構作為一次性產品使用。這些原來作為模板制備的、具有微型結構的玻璃薄片，可以不加改變地用于控制大規模生產數據載體的程序鏈中。現在IPHT已能成功地提出廣泛的工作流程圖，可以自如地開發有效和模塊化的芯片實驗室。該流程圖已經在為流動PCR首次開發的芯片實驗室中得到完全執行。


作者簡介

Thomas Henkel博士，1984~1989年就讀于德國耶拿Friedrich-Schiller大學。1989 ~1993年攻讀有機化學專業博士學位，其論文題目為《氧代炔烴的合成與反應行為的研究》。1994~1997年在德國耶拿大學附屬醫院開發基因表達的定量分析方法。1997年工作調動至耶拿IPHT，參與開發生物工程的微控制系統。2005年起，開始負責耶拿圖像技術研究所微流控制裝置研發部（IPHT）的管理工作。