缩微芯片

缩微芯片实验室

缩微芯片也被称为缩微芯片实验室，简称LOC。它是通过采用类似集成电路制作过程中半导体光刻加工的缩微技术。

简介

缩微芯片也被称为缩微芯片实验室（laboratory on a chip），简称LOC。它是通过采用类似集成电路制作过程中半导体光刻加工的缩微技术，把样品制备、生化反应和检测分析等复杂、不连续的过程全部集成到芯片上，使其连续化和微型化，构建成所谓的缩微实验室(microlab)。这与当年将数间房屋大小的计算机机缩微成笔记本式计算机有异曲同工之妙。

基本组成

生物芯片的微加工制造是应用微电子工业和半导体制造业中一些比较精细的加工工艺，如光学掩模刻技术、反应离子刻蚀、微注入模塑和聚合膜浇注法等，在玻璃、塑料、硅片等材料上加工出用于生物样品分离、反应的微米尺寸的微细结构，如样品过滤器、微量反应室、微泵、微阀门等。在上述结构表面进行必要的化学处理后，可在其上进行生物化学反应和分析。

生物样品的分析通常包括样品制备、生物化学和分子生物学反应、结果检测和数据处理等过程。将其中一个步骤或几个步骤微型化集成到同一芯片上，就能够获得具有特殊功能的生物芯片；如用于样品制备的过滤分离芯片、介电电泳芯片和细柱式DNA萃取芯片；用于生物化学反应的生物芯片，主要是应用大量扩增、复制样品的PCR技术，包括帕尔帖电热PCR芯片、薄膜多晶硅加热套内置式PCR芯片、恒温区间连续流PCR芯片；将样品制备和扩增反应集成的坝式微过滤芯片；用于基因突变检测和基因表达的毛细管电泳芯片、寡核苷酸探针芯片、杂交测序芯片、DNA微阵列芯片和用于药物筛选的高通量微米反应池芯片等。

应用研究

科学实验意义

缩微芯片实验室的核心技术是在芯片上含有DNA样品制备、纯化与检测等微电子结构。由于其具有精密的微电子制备和检测系统，不仅所需样品量大为减少，而且灵敏度提高，因而可以快速、精确地完成从样品制备到反应结果显示的全部分析过程，可以有效克服人工操作的实验误差，系统稳定性能极佳。人们可以在一个封闭的系统内快速完成从原始样品到测试结果的全部实验步骤，进一步结合卫星传输和网络生物信息学的技术资源，真正实验高通量、一体化、移植性的“未来型掌上实验室”的构想。

疾病诊断

许多感染性疾病的及时确诊、准确治疗和正确预后，往往需要从全血中分离出特异的微生物作为必要的证据，这一过程既费时又难以确保精确性和重复性。我国旅美学者程京博士领导的一个课题组首先成功地将半导体生物电芯片用于分离和提纯全血样品中的DNA/RNA，接着再在另一个电子增强的生物电芯片上进行诊断性分析。整个过程是，在所构建的生物电芯片1cm2的区域内含有25个可寻址的微电阵列，将大肠杆菌E.coli污染的血液标本点样于第一个芯片上，向其施以适当能量的高频交流电（AC）信号，当红细胞和白细胞被清洗掉后，细菌就残留在25个电极之上。用电子学的方法溶解被芯片“俘获”的细菌，使其释放DNA和RNA，并通过蛋白酶K消化将其纯化，然后将DNA和RNA传送到第2个具有电子活性的芯片上，通过特异性的DNA/RNA杂交反应，确定微芯片上含有的细菌种类和数量。临床医生利用这种装置可以在2～3分钟内完成检验工作，方便、快捷而准确。将这种装置改进后，就可以准确快速地大量筛查遗传性、家族性、地方性、流行性和癌性疾病。

毒理学研究

美国国立环境卫生科学研究所（NIEHS）的科学家们亲近开发了一种毒芯片芯片（ToxChip）。它是一种cDNA序列，可以使科学家们同时检测数以千计的基因表达情况，因而将繁琐的实验过程简化为日常操作。对毒理学研究人员来说，这种工具提供了更有效地监督环境中对DNA有害因素的方法，可大大有助于环保工作的进行。

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