日前，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)成功研制出一款“化學(xué)芯片”，它的大小接近A5紙張，厚度與手指相當(dāng)，由多層復(fù)合材料構(gòu)成，密集的網(wǎng)格狀微小管道分布其中，2000個微量閥門可以根據(jù)化學(xué)液體的成分、濃度等屬性自動做出反應(yīng)，允許液體通過或者阻斷其通過，可以實現(xiàn)血樣、尿樣的快速自動分析，并可作為快速檢驗血糖水平的工具。

這種芯片特別像一個非常特殊的實驗室，它的面積小的甚至僅有幾平方厘米，卻能完成通常需要整個實驗室才能完成的工作，就好像有神奇的魔力把實驗室里不同的單元操作同時變小，并互相聯(lián)系起來一樣。是誰想到將實驗室建立在芯片上的？它有什么發(fā)展優(yōu)勢？未來何時走進(jìn)我們的生活？我們請中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員林炳承為您一一解答。

把實驗室微縮入芯片

遼寧日報：據(jù)《人民日報》報道，近日德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)成功研制出一款 “化學(xué)芯片”，可以用于血樣、尿樣的快速自動分析。這種“化學(xué)芯片”體積小，效率高，與之前媒體關(guān)注的“生物芯片”有異曲同工之處，您能否為我們介紹一些相關(guān)原理？

林炳承：這兒所講的“化學(xué)芯片”或者 “生物芯片”，實際上是一種微流控芯片。微流控芯片又稱芯片實驗室，是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的反應(yīng)、分離、細(xì)胞培養(yǎng)、操控等操作單元集成到一塊幾平方厘米的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以實現(xiàn)常規(guī)生物或化學(xué)實驗室的各種功能的一種技術(shù)。這種芯片的最大優(yōu)勢是多種處理液態(tài)樣本的單元技術(shù)能在微小平臺上靈活組合，規(guī)模集成。可能因為“微流控芯片”有些拗口，國內(nèi)一些大眾媒體把它稱之為“生物芯片”或“化學(xué)芯片”，這種提法不夠準(zhǔn)確，也容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。

遼寧日報：是誰這么有創(chuàng)意，想在小小的芯片上做這些文章的？

林炳承：在微芯片上進(jìn)行流體操控的設(shè)想最初是由瑞士Ciba-Geigy公司的 A.Manz博士等在1990年提出的。第一輪工作是在芯片微通道上實現(xiàn)電泳分離，隨著研究工作的逐漸深入，人們發(fā)現(xiàn)微芯片不僅可以做電泳分離，還可以做其他分離，也可以做混合、反應(yīng)，甚至是細(xì)胞層面的各種操作，如培養(yǎng)、分化、融合、裂解等。所有這些功能，又可以集成在同一塊片子上，靈活組合，形成一個具有大規(guī)模集成功能的芯片實驗室。經(jīng)過世界各國科學(xué)家近20年的努力，微流控芯片已由最初單一的芯片電泳，之后的用于分析領(lǐng)域的微全分析系統(tǒng)，進(jìn)一步發(fā)展到面向生物和化學(xué)各個領(lǐng)域的芯片實驗室。

遼寧日報：將各種化學(xué)或生物實驗濃縮在芯片上進(jìn)行，發(fā)展的趨勢是否就是“微”而“全”？

林炳承：不盡然。 “微”是肯定的，“全”則要視目標(biāo)不同而異。在學(xué)術(shù)層面上，目前一個重要的趨勢是：集成的單元部件越來越多，且集成的規(guī)模越來越大。這種高度集成的微流控芯片平臺，具備物料耗量低，運(yùn)行時間短，價格低廉，使用安全、通量高、污染小等特點，體現(xiàn)了微技術(shù)領(lǐng)域的一種固有優(yōu)勢。但對于面向應(yīng)用的對象而言，指標(biāo)相對單一，即在準(zhǔn)確性和可靠性方面的要求更高，因此，在芯片的設(shè)計上往往趨于簡潔，而非一味求“全”。

有望“改變?nèi)祟愇磥?rdquo;

遼寧日報：曾有人將微流控芯片實驗室稱為“改變?nèi)祟愇磥淼钠叻N技術(shù)”之一，它有什么樣的殺手锏能夠得此殊榮呢？

林炳承：目前看來，微流控芯片有兩個獨特的優(yōu)勢尚未有其他技術(shù)平臺可以取代：

第一，微流控芯片已被認(rèn)為是對哺乳動物細(xì)胞在微環(huán)境下實現(xiàn)三維共培養(yǎng)并進(jìn)行靈活操控的最佳平臺，因此也被看成是新一代細(xì)胞研究的主流技術(shù)。在微流控芯片上已經(jīng)可以構(gòu)建微米量級且相對封閉的細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等操作單元，并把這種成功延伸到組織，甚至器官。器官芯片的基本思想是設(shè)計一種結(jié)構(gòu)，可包含人體細(xì)胞、細(xì)胞黃膽組織、血液、脈管，組織—組織界面以及活器官的微環(huán)境，在一塊幾平方厘米的芯片上模擬一個活體的行為并研究活體中整體和局部的種種關(guān)系�？梢杂闷鞴傩酒�部分地取代實驗動物，驗證候選藥物對人體細(xì)胞、組織和器官的生化反應(yīng)，提供多種指示人體安全性的信號，快速有效地開展毒理和藥理作用研究。

第二，微流控芯片另一個難以取代的優(yōu)勢是，它的超大規(guī)模和超高通量特性使其有可能成為各種材料篩選的理想平臺。

液滴微流控芯片是近年來在微流控芯片基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的操縱納米體積液體的技術(shù)，液滴可以是油包水，也可以是水包油，納米級的體積，每秒可產(chǎn)生1萬個左右的液滴，是一種極佳的微反應(yīng)器，它操控靈活，大小均一，形狀可變，又有優(yōu)良的傳熱傳質(zhì)性能，因此，可以用作不同材料的篩選，比如藥物，酶，催化劑等。大量的篩選過程以反應(yīng)為基礎(chǔ)，比如，可以固定一個靶標(biāo)，使它置于不同的液滴中，再使被篩選的化合物依次進(jìn)入相應(yīng)的液滴，和同一種靶標(biāo)反應(yīng)，然后設(shè)法把有反應(yīng)和沒反應(yīng)的液滴分開，就可得到第一輪篩選結(jié)果。因為通量極高，規(guī)模極大，而樣品的用量又極少，它可能在材料篩選領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響。

遼寧日報：微流控芯片發(fā)展至今也不過20多年，作為一項新興技術(shù)，它是否也存在一些短板？

林炳承：微流控芯片是一種新的技術(shù)平臺，和傳統(tǒng)技術(shù)相比，成熟度當(dāng)然不夠，有它需要進(jìn)一步完善的一面。

超微量帶來的最大挑戰(zhàn)是測量。測量的重要指標(biāo)是準(zhǔn)確性和精密度，量越小，可靠測量的難度越大。在實驗室里，這一問題的產(chǎn)生往往是由于芯片制造不夠規(guī)范或操作者對技術(shù)掌握不夠熟練造成的。隨著這項技術(shù)的逐漸普及，特別是自動化規(guī)模加工技術(shù)的引入，這一問題是可以被克服的。

已進(jìn)入商品開發(fā)階段

遼寧日報：您之前談到，微流控芯片在學(xué)術(shù)層面已經(jīng)被認(rèn)定是成功的，那么接下來我們應(yīng)該如何將它應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中去？

林炳承：我已在不同場合說過，迄今為止，關(guān)于微流控芯片的研究，在學(xué)術(shù)層面上已被證明是成功的。下一階段的工作至少包含以下兩個方面：一是構(gòu)建并完善不同功能的微流控芯片實驗室，推動并促進(jìn)功能芯片實驗室的廣泛應(yīng)用；二是促使在學(xué)術(shù)層面上已經(jīng)基本成功的典型案例產(chǎn)業(yè)化，并最終推向市場。

遼寧日報：我們發(fā)現(xiàn)，微流控芯片多數(shù)被提及的應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療方面，在您看來，它未來的發(fā)展方向在哪兒？

林炳承：生物醫(yī)藥會是最早有可能采用微流控芯片的領(lǐng)域之一，重要的方面包括床邊診斷，個體化治療，藥物活性篩選，藥物毒性評價等。但是，在未來一段時期內(nèi)，可能會有更多的領(lǐng)域進(jìn)入微流控芯片的應(yīng)用范圍，其中會有：環(huán)境檢測、食品安全、司法鑒定、體育競技、反恐、航天等事關(guān)人類生存質(zhì)量和安全的各個方面。

遼寧日報：微流控芯片在這么多領(lǐng)域都有一展身手的可能，對我們?nèi)祟惏l(fā)展的意義非凡。

林炳承：我個人認(rèn)為，微流控芯片技術(shù)有可能會像50年前微電子技術(shù)為信息科學(xué)的發(fā)展引發(fā)一場革命一樣，在引領(lǐng)未來相關(guān)科學(xué)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中起到極其重要的作用，它很可能作為下一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的突破點之一，在一定程度上影響人類經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。微型化的根本目的是對資源利用的最大優(yōu)化，計算機(jī)的微型化已經(jīng)從一個方面證明了這一點，生物和化學(xué)實驗室的微型化將從另一個角度為人類實現(xiàn)和自然的和諧共處提供可能。

遼寧日報：微流控芯片是否已經(jīng)走進(jìn)實際應(yīng)用階段？

林炳承：目前，不同的微流控芯片作為一種通用性平臺已經(jīng)在大專院校和科研機(jī)構(gòu)的生物或化學(xué)實驗室得到較為廣泛的應(yīng)用，作為正式產(chǎn)品的微流控芯片也已經(jīng)進(jìn)入到了實質(zhì)性的商品開發(fā)階段。全球范圍內(nèi)已有很多公司開始生產(chǎn)不同類型的微流控芯片產(chǎn)品，微流控芯片最終的出口應(yīng)當(dāng)是在超市，走進(jìn)普通人的生活。一旦達(dá)到民用化程度，其市場潛力將是不可限量的。

遼寧日報：那么您認(rèn)為微流控芯片在未來十年會不會走入普通人的生活？

林炳承：應(yīng)該可以。