专用性芯片实验室

在芯片上建立实验室——这一迷人的设想一直鼓舞激励着全世界无数从事于微系统控制技术、微流控制装置、生物工程和仪器制造领域的研究者。应用者期待这种系统能够惠及用户、操作简捷、测定结果可靠和精准，同时又能读出多种参数并可以长期投入使用。可惜尽管付出了许多努力，迄今为止仍然不能提出一种能够在所有领域的日常实验室中全面应用的统一版本。但与此同时，市场上也已经出现了一些具有潜力的解决方案。比如，已有一些快速分析测试条（例如受孕快速测试）采用“侧向横流测试法”和“毛细管测试条”。除了上述这些测试条之外，还有一些微流控制的平台技术，可以在其基础之上建立起芯片实验室。每一种这样的平台定义着一种基本功能准则，例如流体的传输、样品的应用、试剂的混合、过滤、检测以及执行这些操作必需的功能单元。这些都可以通过预设的过程文件以集成的方式写入芯片体系中。由此可以建立起一个专用性芯片实验室，用来实现预先设置的目标。

微流控制装置的系统平台

运行于微型管道中的液体传输体现了这类液体的基本传输原理。由于管壁的摩擦，在微型管道中形成一种速度剖面图。此时接近管壁的体积单元的传输速度要慢于管壁中心的体积单元的传输。这种速度分配差异，导致了体积单元沿传输方向上的污染混杂。这种弊端可以通过引入两相体系加以消除。通过加入与待分析液体不能互溶的一种分离液体（例如将油加入水中），可以将样品流体切割成小段的断线液珠进行传输。此时，形成的类似于小珍珠串的体积元素通过管道的中央进行传输（图1）。借助于这一原理，可以有效防止液体向邻近的液滴转移。

图1.  基于液滴传输的微流控制装置的芯片实验室基本元件示意图。用于进行基本操作的功能元件，如液滴的发生、运行、分析和归类，都已采用相应文件的形式写入和集成到流程网络中。

由此将开启一种美妙的可能性，让每一滴液体作为单一的样品在体系中流过，以这种方式呈序列性地执行高通量分析。虽然这一概念早于20世纪80年代已经提出并曾加以试验，但只在最近7年来，在那些引入了微控制系统和微流控制装置的领域才有了实际的发展。其间在此概念基础之上发展了一种能够代表科学和商业利益的系统平台。应用这种技术的领域包括了微反应技术、生物工程、分子生物学、生物医学研究、药品和药物研发。这一原理早期成功的例子包括细胞培养和利用液滴进行全细胞分析。图1为2003年的应用流程图。其内容涉及所需的功能单元用以执行有关基本操作，如液滴产生、液滴运行、液滴内容分析、分类和培养，这在当时成为了唯一实现的模块化微流控制芯片。而今的发展则过渡到以制造单片芯片实验室器件为标志，因而其费用要低于一次性器件。

图2.  基于液滴传输的微流控制装置的基本操作示意图

智能型功能结构的快速建立

基于液滴的微流控制装置其最突出的性质就在于可以利用其相分隔的势能和动力。在毛细管中推动液柱上升的相同的动力，可以用作微流控制网络中的程序开关和基于液滴的逻辑操作开关。

自发进行的过程和基于液滴的调节循环的过程，这二者是有区别的。图3和图4分别显示了这两类功能元素。在所有情况下，所产生的功能都是因为相分离而引起的具有润湿性能的力、流体动力学的力以及功能结构的几何形状的共同作用的结果。对于自发进行的过程，最简单的情况是在装配有喷嘴的“T”型汇合处的液滴的生成（图3）。液滴滴落的时刻正好是该液滴在管道中长大至接触到对面的管壁之时。此处所形成的液滴的体积可以借助于结构特性预先加以确定。

图3.  在装配有喷嘴的“T”型混合管处进行的、载有酵母细胞的液滴产生的成像图。液体被连续地推进，当管道中的液滴逐渐长大，碰到位于对面的管壁时，便发生了液滴的断裂。

图4.  按照1:1比例自行同步融合的断线液珠的成像图。A） 第一滴液滴接近汇合处时便被阻挡住。B） 从支管输入矿物油前来与配偶液滴汇合。C） 双方汇合形成液滴后，从功能结构管中流出。

与此相反，当来自网络的不同支管的两种液滴按照1：1的比例同步进行混合时，在这种情况下，需要执行闭路式的调制循环。此时首先到达汇合处的液滴必须等待行将与其汇合的对方液滴伴侣的到来。这一要求可以通过设计适当的汇合管道结构和集成一根支管来实现。这种结构将首先到达的（第一种）液滴阻挡下来，让后将另一边的（第二种）液滴从支管导入。汇合管道结构处于关闭状态，直到后续液滴从另一边到达汇合点，然后由此汇合的液滴便从该结构处导出。于是，同时又恢复到初始状态，又可以进行下一轮1:1液滴溶合过程了。

芯片实验室系统的研发工作

研发工作的结果为芯片实验室提供了集成用的、广泛集合的功能单元。从而为利用单一芯片实验室灵活执行用户自行定义的方法流程奠定了基础。

研发过程基于图5所示的工作流程图，从分析用户给定的过程文件开始，然后着手进行模块化的系统设计。用于在芯片实验室上实现电子自动化方案所必需的软件组成已经在研发之中。试验样机的研制是建立在微系统控制技术业已成功的方法基础之上的。在应用中引入的全玻璃技术（All-Glas-Technologie）早已在过去展示了优良性能。已经发展了一系列芯片实验室的样机用于流动-PCR、细胞培养微技术、全细胞检测，以及利用表面强化的拉曼光谱进行的药物超灵敏定量分析并获得成功应用。

图5.  专用性芯片实验室元件的研发与提供使用工作流程图。

新近的发展集中在如何将所研发的结果移植到大规模生产的工艺上去。通过与Bestelmann 股份公司的下属企业 Arvato Digitak 服务公司的合作，可以将大规模生产CD-ROM和DVD所用的喷铸方法移植过来，用于大规模复制在玻璃上进行几何形状蚀刻和用于大规模制造微型管道结构作为一次性产品使用。这些原来作为模板制备的、具有微型结构的玻璃薄片，可以不加改变地用于控制大规模生产数据载体的程序链中。现在IPHT已能成功地提出广泛的工作流程图，可以自如地开发有效和模块化的芯片实验室。该流程图已经在为流动PCR首次开发的芯片实验室中得到完全执行。


作者简介

Thomas Henkel博士，1984~1989年就读于德国耶拿Friedrich-Schiller大学。1989 ~1993年攻读有机化学专业博士学位，其论文题目为《氧代炔烃的合成与反应行为的研究》。1994~1997年在德国耶拿大学附属医院开发基因表达的定量分析方法。1997年工作调动至耶拿IPHT，参与开发生物工程的微控制系统。2005年起，开始负责耶拿图像技术研究所微流控制装置研发部（IPHT）的管理工作。