芯片实验室的发展历史

“芯片实验室”即lab-on-a-chip的直译，并非严格定义的科学概念，而是一个新兴的领域。从理论上讲，所有生物和化学实验室功能的微型化方法都可以用芯片实验室技术来描述。具有代表性的芯片实验室技术是针对小规模流体操纵的微流控技术。此外，芯片实验室技术还包含了非流动的静态微型实验系统，如生物芯片的定义。这样的芯片系统通常是微阵列芯片，如基因芯片、蛋白质芯片等。

芯片实验室特点是流体的流动速度不受控制，是微流控芯片的一种特殊类型。这种芯片通常通过检测点阵上的不同反应(如杂交、蛋白质相互作用等)来进行分析，其功能比较有限。相对来说，能控制流体运动的微流控芯片种类、功能和用途都比较广泛。许多物理科学(物理、化学、力学等)、生命科学和工程学的研究者都十分重视这项技术，并将其应用于这些领域的实验研究。

大多数的化学和生物学实验都是在溶液状态下进行的。在化学和生物实验中，研究者对液体体积和通量的要求越来越低，对实验自动化、操控性的要求也越来越高，传统的携带和转移液体操作的器械和工具(如烧杯、试管、培养皿等)已不再能满足科学工作者的需要。这种新的技术手段必须具有操作体积较小、尺寸更小、实验流量更大、更自动化控制等特点。微流体芯片正是在这种需要下应运而生的一项技术，用于微量甚至微量液体的操作和分析。

就微流控芯片的发展历史来看，这种技术的孕育与发展是必然的。科学研究和医疗市场的需求，再加上微电子领域相关加工技术的日益成熟，促使微流控芯片技术的产生，加快了其发展。分子分析在医学卫生、检验检疫、环境监测、劳动保护、司法鉴定等领域都有广泛而广泛的需求。将色谱、毛细管电泳等分离分析技术的微型化，成为市场的实际需求。在这种需求的背后，是巨大的医疗诊断消费群体和国家安全需要。在分子生物学研究日益深入的今天，需要更大通量、更低消耗的实验技术。

微流体芯片技术正代表着这一趋势，与现代分子生物学、基因组学、蛋白质组学等学科的发展同步。20世纪后半期，快速发展的微电子行业积累了大量的微加工经验，这些经验使许多微流控芯片加工所需的理论和技术成熟，许多相关设备和仪器也相继诞生，相应的新材料不断涌现；同时，由于产业的推动和市场的扩大，加工成本也大大降低。在1975年，斯坦福大学的研究人员使用微加工技术，在一块硅片上蚀刻出细小的管道，用作气相色谱的色谱柱，用于研究微量气体的分离分析。这种装置可能是现代意义上第一个微流体设备。

但由于技术等因素的限制，该芯片一直没有得到足够的重视。随之而来的是微流控技术的发展进入了一个相对滞后时期。自1990年以来，微全分析技术被提出，微流控芯片进入了快速发展时期。研究者深入合作，开展了一系列早期毛细管电泳芯片的开创性工作。这个时期，绝大多数芯片是在硅和玻璃基片上制备的，直接借鉴了微电子领域成熟的硅基微加工技术。

自1998年以来，人们提出了软蚀刻技术的概念，从那以后，以弹性材料为核心的硅氧烷(PDMS)时代宣告了微流控芯片技术进入了一个新的快速发展阶段。2000年，以PDMS材料为基础，在加州理工学院提出了一种新型的气动微阀和微泵的概念。该研究小组于2002年10月以“大规模微流控芯片集成”为题在美国《科学》杂志上发表论文，介绍了集成了数千个微阀和反应器的微流控芯片，这标志着该芯片从简单的电泳分离到大规模集成的技术飞跃。目前，微流体芯片已成为一门综合应用研究领域，涉及到分离分析、化学合成、医学诊断学、细胞生物学、神经生物学、系统生物学、结构生物学、微生物学。