二十世紀(jì)中葉，人類文明史迎來了又一次重大飛躍——第三次科技革命，這是一場涉及信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)、空間技術(shù)和海洋技術(shù)等諸多領(lǐng)域的信息控制技術(shù)革命。美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）和DGA等軍事機(jī)構(gòu)對實(shí)驗(yàn)室芯片技術(shù)很感興趣，因?yàn)檫@樣的技術(shù)能夠使他們盡快發(fā)現(xiàn)部隊(duì)和平民遭遇到的生物威脅。微流控芯片技術(shù)也被NASA譽(yù)為空間生物實(shí)驗(yàn)的未來發(fā)展方向。
 

受到集成電路的啟發(fā)，為了滿足生物和化學(xué)分析儀器小型化、集成化的需求，大量的資金投入推動了微流控芯片技術(shù)的研究。一個嶄新的研究領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，那就是微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab on a Chip）。
 

1979年，斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)氣相色譜研究中首次真正使用微流控芯片實(shí)驗(yàn)[1]。隨著微流控技術(shù)的和微加工技術(shù)在聚合物芯片生產(chǎn)過程中的發(fā)展，微流控芯片研究在80年代末蓬勃發(fā)展，這種對聚合物的微型加工技術(shù)也有了它真正的名稱——軟光刻（Soft-Lithography），又稱軟刻蝕。
 

目前該技術(shù)通過微加工工藝在硅、金屬、高分子聚合物、玻璃、石英等材質(zhì)的基片上，加工出微米至亞毫米級的流體通道、反應(yīng)或檢測腔室、過濾器或傳感器等各種微結(jié)構(gòu)單元。

相較于微電子行業(yè)的的硅片制造，聚合物微芯片較容易制造，這使得許多實(shí)驗(yàn)室能夠展開微流控芯片領(lǐng)域的研究。微通道的微米級別尺寸與細(xì)胞基本相符，因此早期微流控芯片研究更側(cè)重于細(xì)胞生物學(xué)。這些技術(shù)上的進(jìn)步使研究者能夠輕松地在單細(xì)胞水平上進(jìn)行操作。
 

此后，更多的生物化學(xué)操作的微型化的研究大量開展，將所有從樣品采集到最終分析的步驟整合到一塊芯片上，配合流體控制或分析儀器實(shí)現(xiàn)從采樣到分析的所有操作，人稱微型總分析系統(tǒng)μTAS[2]。“微流控芯片的研究早已超出了學(xué)術(shù)界的范疇，它很可能成為信息科學(xué)和生命科學(xué)之間溝通的橋梁”[3]。
 

在生物醫(yī)藥行業(yè)，微流控芯片技術(shù)也被廣泛用于蛋白質(zhì)和核酸的檢測。1995年首家從事微流控芯片技術(shù)的CaliperLifeSciences公司成立,大大推動了微流控芯片的商業(yè)化進(jìn)程。珀金埃爾默(PerkinElmer)公司于2011年收購芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者Caliper生命科學(xué)公司，2014年發(fā)布LabChip®GX Touch以及LabChip®GXIITouch自動化微流控芯片電泳系統(tǒng)[4,5]，該系統(tǒng)在靈敏度與分辨率方面，與傳統(tǒng)毛細(xì)管電泳技術(shù)相當(dāng)，但在樣品檢測速度方面，LabChip®蛋白樣品分析速度是傳統(tǒng)毛細(xì)管電泳技術(shù)的70倍[6]。

 

微流控芯片技術(shù)還被廣泛用于單細(xì)胞功能分析，如IsoPlexis公司的全自動單細(xì)胞功能蛋白質(zhì)組學(xué)分析系統(tǒng)。該公司成立于2013年，在2018年推出基于微流控技術(shù)商業(yè)化產(chǎn)品IsoLight,IsoSpark,IsoSparkDuo。通過單細(xì)胞蛋白組芯片上12,000個微室同時可捕獲上千個細(xì)胞，并利用每個微室中固定包埋的Barcode抗體條形碼技術(shù)捕獲32種活的細(xì)胞因子，還可以檢測單細(xì)胞胞內(nèi)磷酸化通路，以此來揭示細(xì)胞亞群中獨(dú)特的免疫生物標(biāo)志物，推動免疫療法及靶向治療精準(zhǔn)化發(fā)展。

 

感謝閱讀，接下來兩期，我們來重點(diǎn)聊聊LabChip®微流控芯片系統(tǒng)和IsoPlexis全自動單細(xì)胞功能蛋白質(zhì)組學(xué)分析系統(tǒng)的應(yīng)用吧。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.C.Terry,J.H.Jermanand J.B.Angell:A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on aSilicon Wafer,IEEE Trans.Electron Devices,1979,26(12),1880-1886.

[2]BontouxN, Dauphinot L, Potier M C. Elaborating Lab-on-a-Chips forSingle-Cell Transcriptome Analysis[J]. Lab on a Chip Technology:Biomolecular separation and analysis, 2009,2,167.

[3]林炳承秦建華.微流控芯片實(shí)驗(yàn)室(精)[M].科學(xué)出版社,2006.

[4]PerkinElmer以6億美元收購Caliper,
http://www.ebiotrade.com/newsf/2011-9/201199110050485.htm

[5]PerkinElmer發(fā)布LabChipGX Touch以及GXIITouch自動化電泳系統(tǒng),
https://www.antpedia.com/corp/news-2589.html

[6]ChenX, Tang K, Lee M, Flynn GC. Microchip assays for screening monoclonalantibody product quality. Electrophoresis.2008,29(24),4993-5002.