二十世紀中葉，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、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的信息控制技術革命。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和DGA等軍事機構對實驗室芯片技術很感興趣，因為這樣的技術能夠使他們盡快發現部隊和平民遭遇到的生物威脅。微流控芯片技術也被NASA譽為空間生物實驗的未來發展方向。
 

受到集成電路的啟發，為了滿足生物和化學分析儀器小型化、集成化的需求，大量的資金投入推動了微流控芯片技術的研究。一個嶄新的研究領域應運而生，那就是微流控芯片實驗室（Lab on a Chip）。
 

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

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

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

此后，更多的生物化學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現從采樣到分析的所有操作，人稱微型總分析系統μTAS[2]。“微流控芯片的研究早已超出了學術界的范疇，它很可能成為信息科學和生命科學之間溝通的橋梁”[3]。
 

在生物醫藥行業，微流控芯片技術也被廣泛用于蛋白質和核酸的檢測。1995年首家從事微流控芯片技術的CaliperLifeSciences公司成立,大大推動了微流控芯片的商業化進程。珀金埃爾默(PerkinElmer)公司于2011年收購芯片實驗室技術領導者Caliper生命科學公司，2014年發布LabChip®GX Touch以及LabChip®GXIITouch自動化微流控芯片電泳系統[4,5]，該系統在靈敏度與分辨率方面，與傳統毛細管電泳技術相當，但在樣品檢測速度方面，LabChip®蛋白樣品分析速度是傳統毛細管電泳技術的70倍[6]。

 

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

 

感謝閱讀，接下來兩期，我們來重點聊聊LabChip®微流控芯片系統和IsoPlexis全自動單細胞功能蛋白質組學分析系統的應用吧。

參考文獻：

[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.微流控芯片實驗室(精)[M].科學出版社,2006.

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

[5]PerkinElmer發布LabChipGX Touch以及GXIITouch自動化電泳系統,
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.