微全分析系统发展的三大里程碑

一、MEMS技术的兴起

90年代初期兴起的MEMS(微机电系统)技术是微全分析系统领域发展的第一大里程碑，MEMS融合了微电子与精密机械加工技术，包含微传感器、微执行器及信号处理、控制电路等，利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或集光机电于一体，完成一定功能的复杂微细系统，是实现“片上系统”的发展方向。

MEMS技术的实质是半导体工艺，可以将三极管的尺寸做到比硅粒还要小，利用该项技术可以研制出基于半导体工艺的一些器件，例如轰动一时的小型直升飞机、小型齿轮的推出等。MEMS技术最大的优势在于可将所有的器件不仅能够呈现出一层，还可实现多层丰富的立体结构。

当今MEMS技术最有代表性的部件为压力传感器，MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

二、MEMS与高分子化学技术的结合——“芯片实验室”

第二大里程碑则是MEMS与高分子化学技术的结合。仅仅采用半导体工艺研制的芯片不能完全满足化学家和生物学家的要求，化学材料芯片(即高分子芯片)的问世是微全分析领域的一项突破性进展，现已成为微全分析系统的核心器件。

Lab-on-a-chip(芯片实验室)概念的提出

微全分析系统在应用上的贡献则是90年代末期Lab-on-a-chip(芯片实验室)概念的提出。“Lab-on-a-chip” 是以芯片为平台的微全分析系统，它是把生物和化学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应分离与检测等基本操作单元集成到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。通俗言之，就是将生物实验室、化学实验室和医学实验室等搬到一个芯片上，取代实验室中各种各样的器件、管道等。目前主要通过微阵列和微流控这两种方式来实现。

Lab-on-a-chip 概念一经提出，迅速获得全球科学和产业届推崇，如：2004年9月美国Business 2.0杂志的封面文章称，芯片实验室是“改变未来的七种技术”之一。2001年创刊的《Lab on a chip》(芯片实验室)期刊现在影响因子已达6.5。在2006年7月出版的《Nature》上，共发表了包含有7篇述评文章的“芯片实验室”专辑，非常系统地叙述了微流控芯片的研究历史、现状和应用背景。

三、将微流控技术应用于生物医学的研究领域

疾病诊断和药物筛选是现代生物医学研究中的两个重要课题，对提高人类的健康水平和生活质量起着至关重要的作用。我国作为一个发展中的人口大国，面临很大的医疗卫生方面的压力，迫切需要发展快速准确的疾病诊断新方法和研发高通量高内涵新药。药物筛选是新药开发的关键步骤，细胞水平筛选因其更接近于生理条件，准确率高，干扰因素少，正逐步成为药物筛选的主流。

微流控快速在线酶解技术

复旦大学杨芃原教授向我们介绍了由其课题组开发的微流控快速在线酶解技术。酶解是蛋白质组分析的重要前处理方法，传统的酶解常需在37℃下进行12小时(即过夜)，在蛋白质组学研究中是一个耗时较长的过程。课题组创新地将酶用介孔材料固定在微流控分析芯片上，大大增加了酶和蛋白的碰撞次数，反应速率提高1000倍，酶解时间由原先的12小时缩短到只需2秒的时间，实现了微流控芯片上的高通量快速在线酶解，并大大减少了耗样量。这对于实现高通量、高灵敏度的蛋白质组学研究是一项显著的技术革新。

用微流控芯片研究肿瘤细胞

微流控芯片已被证实的一大应用是研究细胞(比如肿瘤细胞)和环境的相互作用。每个人达到一定的年龄阶段，都有发生细胞癌变的可能，肿瘤细胞的转移往往是导致死亡的主要原因，目前在临床上的主要手段就是当肿瘤长到一定程度快转移时，将其割掉，但大多数病人的存活期还是非常短。随着现代医学技术的发展，人类希望能够和肿瘤细胞和平共处，因此希望能研究清楚肿瘤细胞在什么环境下可以保持较为惰性的状态，甚至发生逆转。

杨教授课题组从人类干细胞的研究中得到很多启示，比如人类干细胞通过适当改造可以具有逆转的趋势，而肿瘤组织中存在的某些癌细胞，在肿瘤形成过程中可充当干细胞的角色。课题组主要利用芯片来培养癌症细胞，通过观察癌症细胞的各种反应，以及和其它细胞之间的相互作用，来研究肿瘤的发生、发展、复发和转移的机制，试图来Educate(教会)肿瘤细胞如何转换成良性。