小小一块芯片功能堪比一座实验室

日前，德国德累斯顿工业大学成功研制出一款“化学芯片”，它的大小接近A5纸张，厚度与手指相当，由多层复合材料构成，密集的网格状微小管道分布其中，2000个微量阀门可以根据化学液体的成分、浓度等属性自动做出反应，允许液体通过或者阻断其通过，可以实现血样、尿样的快速自动分析，并可作为快速检验血糖水平的工具。

这种芯片特别像一个非常特殊的实验室，它的面积小的甚至仅有几平方厘米，却能完成通常需要整个实验室才能完成的工作，就好像有神奇的魔力把实验室里不同的单元操作同时变小，并互相联系起来一样。是谁想到将实验室建立在芯片上的？它有什么发展优势？未来何时走进我们的生活？我们请中国科学院大连化学物理研究所研究员林炳承为您一一解答。

把实验室微缩入芯片

辽宁日报：据《人民日报》报道，近日德国德累斯顿工业大学成功研制出一款 “化学芯片”，可以用于血样、尿样的快速自动分析。这种“化学芯片”体积小，效率高，与之前媒体关注的“生物芯片”有异曲同工之处，您能否为我们介绍一些相关原理？

林炳承：这儿所讲的“化学芯片”或者 “生物芯片”，实际上是一种微流控芯片。微流控芯片又称芯片实验室，是把生物和化学等领域中所涉及的反应、分离、细胞培养、操控等操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。这种芯片的最大优势是多种处理液态样本的单元技术能在微小平台上灵活组合，规模集成。可能因为“微流控芯片”有些拗口，国内一些大众媒体把它称之为“生物芯片”或“化学芯片”，这种提法不够准确，也容易产生误导。

辽宁日报：是谁这么有创意，想在小小的芯片上做这些文章的？

林炳承：在微芯片上进行流体操控的设想最初是由瑞士Ciba-Geigy公司的 A.Manz博士等在1990年提出的。第一轮工作是在芯片微通道上实现电泳分离，随着研究工作的逐渐深入，人们发现微芯片不仅可以做电泳分离，还可以做其他分离，也可以做混合、反应，甚至是细胞层面的各种操作，如培养、分化、融合、裂解等。所有这些功能，又可以集成在同一块片子上，灵活组合，形成一个具有大规模集成功能的芯片实验室。经过世界各国科学家近20年的努力，微流控芯片已由最初单一的芯片电泳，之后的用于分析领域的微全分析系统，进一步发展到面向生物和化学各个领域的芯片实验室。

辽宁日报：将各种化学或生物实验浓缩在芯片上进行，发展的趋势是否就是“微”而“全”？

林炳承：不尽然。 “微”是肯定的，“全”则要视目标不同而异。在学术层面上，目前一个重要的趋势是：集成的单元部件越来越多，且集成的规模越来越大。这种高度集成的微流控芯片平台，具备物料耗量低，运行时间短，价格低廉，使用安全、通量高、污染小等特点，体现了微技术领域的一种固有优势。但对于面向应用的对象而言，指标相对单一，即在准确性和可靠性方面的要求更高，因此，在芯片的设计上往往趋于简洁，而非一味求“全”。

有望“改变人类未来”

辽宁日报：曾有人将微流控芯片实验室称为“改变人类未来的七种技术”之一，它有什么样的杀手锏能够得此殊荣呢？

林炳承：目前看来，微流控芯片有两个独特的优势尚未有其他技术平台可以取代：

第一，微流控芯片已被认为是对哺乳动物细胞在微环境下实现三维共培养并进行灵活操控的最佳平台，因此也被看成是新一代细胞研究的主流技术。在微流控芯片上已经可以构建微米量级且相对封闭的细胞培养、分选、裂解等操作单元，并把这种成功延伸到组织，甚至器官。器官芯片的基本思想是设计一种结构，可包含人体细胞、细胞黄胆组织、血液、脉管，组织—组织界面以及活器官的微环境，在一块几平方厘米的芯片上模拟一个活体的行为并研究活体中整体和局部的种种关系。可以用器官芯片部分地取代实验动物，验证候选药物对人体细胞、组织和器官的生化反应，提供多种指示人体安全性的信号，快速有效地开展毒理和药理作用研究。

第二，微流控芯片另一个难以取代的优势是，它的超大规模和超高通量特性使其有可能成为各种材料筛选的理想平台。

液滴微流控芯片是近年来在微流控芯片基础上发展起来的一种新的操纵纳米体积液体的技术，液滴可以是油包水，也可以是水包油，纳米级的体积，每秒可产生1万个左右的液滴，是一种极佳的微反应器，它操控灵活，大小均一，形状可变，又有优良的传热传质性能，因此，可以用作不同材料的筛选，比如药物，酶，催化剂等。大量的筛选过程以反应为基础，比如，可以固定一个靶标，使它置于不同的液滴中，再使被筛选的化合物依次进入相应的液滴，和同一种靶标反应，然后设法把有反应和没反应的液滴分开，就可得到第一轮筛选结果。因为通量极高，规模极大，而样品的用量又极少，它可能在材料筛选领域产生重大的影响。

辽宁日报：微流控芯片发展至今也不过20多年，作为一项新兴技术，它是否也存在一些短板？

林炳承：微流控芯片是一种新的技术平台，和传统技术相比，成熟度当然不够，有它需要进一步完善的一面。

超微量带来的最大挑战是测量。测量的重要指标是准确性和精密度，量越小，可靠测量的难度越大。在实验室里，这一问题的产生往往是由于芯片制造不够规范或操作者对技术掌握不够熟练造成的。随着这项技术的逐渐普及，特别是自动化规模加工技术的引入，这一问题是可以被克服的。

已进入商品开发阶段

辽宁日报：您之前谈到，微流控芯片在学术层面已经被认定是成功的，那么接下来我们应该如何将它应用到实际生产生活中去？

林炳承：我已在不同场合说过，迄今为止，关于微流控芯片的研究，在学术层面上已被证明是成功的。下一阶段的工作至少包含以下两个方面：一是构建并完善不同功能的微流控芯片实验室，推动并促进功能芯片实验室的广泛应用；二是促使在学术层面上已经基本成功的典型案例产业化，并最终推向市场。

辽宁日报：我们发现，微流控芯片多数被提及的应用领域是医疗方面，在您看来，它未来的发展方向在哪儿？

林炳承：生物医药会是最早有可能采用微流控芯片的领域之一，重要的方面包括床边诊断，个体化治疗，药物活性筛选，药物毒性评价等。但是，在未来一段时期内，可能会有更多的领域进入微流控芯片的应用范围，其中会有：环境检测、食品安全、司法鉴定、体育竞技、反恐、航天等事关人类生存质量和安全的各个方面。

辽宁日报：微流控芯片在这么多领域都有一展身手的可能，对我们人类发展的意义非凡。

林炳承：我个人认为，微流控芯片技术有可能会像50年前微电子技术为信息科学的发展引发一场革命一样，在引领未来相关科学技术及产业的发展中起到极其重要的作用，它很可能作为下一轮产业转型的突破点之一，在一定程度上影响人类经济和社会的发展。微型化的根本目的是对资源利用的最大优化，计算机的微型化已经从一个方面证明了这一点，生物和化学实验室的微型化将从另一个角度为人类实现和自然的和谐共处提供可能。

辽宁日报：微流控芯片是否已经走进实际应用阶段？

林炳承：目前，不同的微流控芯片作为一种通用性平台已经在大专院校和科研机构的生物或化学实验室得到较为广泛的应用，作为正式产品的微流控芯片也已经进入到了实质性的商品开发阶段。全球范围内已有很多公司开始生产不同类型的微流控芯片产品，微流控芯片最终的出口应当是在超市，走进普通人的生活。一旦达到民用化程度，其市场潜力将是不可限量的。

辽宁日报：那么您认为微流控芯片在未来十年会不会走入普通人的生活？

林炳承：应该可以。