“未来科技”照进现实—芯片上的实验室

说到芯片，大家第一个可能会想到计算机和人工智能。在很多科幻电影中，“芯片”出现在电子设备、衣服、厨房等多个地方，甚至还可能会被嵌到人体中进行定位。

现实中，芯片的发展也是突飞猛进，“未来科技”逐一出现在了我们的现实生活中。 预计在“未来化”的过程中，芯片将会扮演起极为关键的角色，在不同的领域发挥重要作用，成为第四次科技革命的重要基础。正如计算机芯片使计算微型化，而芯片实验室也能使实验室微型化，实现从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化这一目标。

Transparency Market Research (TMR)报告预计，2024年的全球芯片实验室市场规模将从2016年的38.8亿美元达到87亿美元。那么，什么是“芯片实验室”？ “芯片实验室”包含哪些部分？“芯片实验室”用来做什么？下面让我们一起来看看吧。

什么是“芯片实验室”？

芯片实验室（Lab-on-a-Chip）是由瑞士Ciba-Geigy公司的Manz与Widmer在1990年提出。他们最初的想法是发展一种可能作为一个化学分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件，强调“微”与“全”。

我们可以把这个概念理解成将一个实验室微缩到一张小小的芯片上，也就是说在这样的指甲盖大小级别的地方实现实验室那样的功能。其定义是将生物和化学领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术，它还有一个更常用的名字叫做微流控芯片。国家科技部《“十三五”生物技术创新专项规划》明确将“芯片上的实验室”列为应重点发展的颠覆性技术之一。

“芯片实验室”包含哪些部分？

芯片实验室大体包括三个部分：芯片、分析仪（包括驱动源和信号检测装置）、试剂盒。芯片内设置了不同的可供流体通行的通道，用以完成不同的生物或化学反应过程，当需要检测的物质流过某一区域时，受到光的照射，这些物质可以自发或者与其它特定物质结合发出荧光，这些荧光可以通过光学相机等传感器进行读取，从而得知流体通道中需要检测的物质种类与含量。

“芯片实验室”用来做什么？

芯片实验室由于集成度非常高、所需的测试样品和反应试剂非常少、反应速度快、便于高通量测试等优点，被应用到了不同的领域。主要芯片材料有PDMS，PMMA，PC等，制备方法有注射成型，模塑法等

1.疾病基因筛查

2012，英国公司Oxford Nanopore从计算机产业中得到了启示，通过一群快速个体节点进行运算的模式，开发出一款名为MinION的可便携使用的基因序列检测机，这款基因序列检测机由一个传感器芯片、专用集成电路和一个完整的单分子感应测试所需的流控系统构成。

MiniON 6小时内可快速测序1.5亿对碱基对。它与其他实验室测试类似，都是利用血液、血浆、血清进行样本分析，并且不需要聚合酶链反应来进行增幅。

由于其体积很小便于携带，即使在门诊或缺乏医疗设施的偏僻地方也能做测试，甚至在病人家里也行，只要把芯片插入平板电脑或类似设备，就能得到结果。更重要的是，芯片实验室通过更换不同的芯片可以检测不同的遗传疾病基因，如Ⅱ型糖尿病、心脏病、药物过敏等。

2.食品安全检测

2016年，霆科公司推出YoungChip-PR12农残速测系统，是全球首台基于微流控芯片技术的农残速测产品。该系统基于国际酶抑制原理，采用便携式分析仪与一次性微流控芯片的组合形式，“1张芯片一次检测12个样本，10分钟出结果”，可对水果、蔬菜、水质等样品中农药残留开展现场、快速、准确的分析测定，特别适合于农贸市场、农产品批发市场、大型种植基地、学校机关食堂、检验检疫机构等大批量样品筛查需求的客户。

3.水质检测

2020年，美国罗格斯大学的研究人员开发了一种便携式“芯片实验室”，可以在几分钟内测量港口、河道以及其他水体底部沉积物里的痕量毒铅（trace levels of toxic lead），比目前基于实验室的的测量要快得多——该设备从沉积物样品中富集铅，并使用氧化石墨烯薄膜作为铅检测器。

该设备价格实惠，可满足政府、水司、学校以及居民的日常使用，轻松而迅速地检测饮用水中铅的含量。罗格斯大学的Mehdi Javanmard教授还表示，除了可以用在水体检测外，该设备还可以用于检测鱼中的铅含量。

为克服电化学传感器对重金属的测量缺陷，研究人员在该芯片实验室中运用了一种集成系统，由多孔基体组成，可将Pb2+提纯至用作活性传感材料的氧化石墨烯（graphene oxide, GO）薄膜上。该设备的紧凑传感系统主要由两个组件组成：带有氧化石墨烯的改进型电化学传感器、由人造海绵（cellulose sponge）组成的预处理柱。

该集成传感器可原位检测复杂沉积物样品中的铅含量，线性范围内的检测浓度极限为 4 ppb（μg/L）。该微型装置可以用最少的预处理剂和最少的时间，直接检测沉积物样品中痕量铅，有望成为现场监测环境样品中重金属的有效解决方案。

4.新冠检测

2021年，博奥联合清华大学成功研发了由新型冠状病毒2019-nCoV核酸检测试剂盒（全集成碟式芯片法）（国械注准：20213400101）和全自动核酸分析仪（国械注准：20213220102）组成的全集成芯片实验室。

系统通过巢式恒温扩增来提高核酸检测的灵敏度，使其在不开盖的情况下检测灵敏度可达150拷贝/毫升，在截至目前获批的同类产品中灵敏度最高，45分钟内一步完成全程实验，35分钟报告阳性结果，实现对新型冠状病毒核酸的快速检测。

与现有检测技术相比，用于新型冠状病毒现场快速检测的全集成芯片实验室具有更自动、更安全、更快速、更准确的特点，在保证生物安全性的同时大大降低了样本间的交叉污染风险和对操作人员、实验室条件等专业性的要求，可适用于多种场景（如医疗机构发热门诊、疫情防控前沿哨点、海关入境检疫、车载移动实验室、重大会议安保等）对新型冠状病毒进行安全、快速、精准的检测与筛查。