芯片实验室或称微全分析系统是由瑞士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”。所以把-TAS看作是化学分析仪器的微型化。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，借电渗流实现了混合荧光染料样品注入和成功电泳分离。但直到1997年这段时间里该领域的发展前景并不十分明朗。1994年始，美国橡树岭国家实验室Ramsey在Manz的工作基础上发表了一系列论文，改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，引起了更广泛的关注。在此形势之下，第一届Lab-on-a-chiporTAS国际会议在荷兰Enchede举行，起到了推广微全分析系统的作用。1995年美国加州大学的Mathies等在微流控芯片上实现了DNA等速测序，微流控芯片的商业开发价值开始显现，而此时微阵列型的生物芯片已进入实质性的商品开发阶段。同年9月，首家微流控芯片企业CaliperTechnologies公司在美国成立。1996年Mathies又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应（PCR）扩增与毛细管电泳集成在一起，展示了微全分析系统在生物医学研究方面的巨大潜力。与此同时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也加紧进行。1998年之后，专利之战日益激烈，一些微流控芯片开发企业纷纷与世界着名分析仪生产厂家合作，Agilent与Caliper联合利用各自的技术优势推出首台这方面的分析仪器Bioanalyzer2100及相应的分析芯片，其它几家厂商也于近年开始将其产品推向市场。据不完全统计，目前全世界已至少有30多个重要的实验室（包括MIT，Stanford大学、加州大学柏史莱分校、美国橡树岭国家实验室等）在从事这一领域的开发和研究。

　　然而，近年来，国内有多家大学和研究所的实验室已开始了这方面的研究。整体而言，这些院所所开展的工作尚处在起步阶段，多数是从毛细管电泳或流动注射分析所得到的技术积累转移至芯片平台上进行研究，虽然起步较晚，但行动较快。以中国科学院大连化物所林炳承课题组研制出了准商品化的激光诱导荧光芯片分析仪和电化学芯片分析仪和相关的塑料分析芯片，浙江大学亦推出了玻璃分析芯片等为代表的一些研究单位已进行了卓有成效的研究，但是企业尚未真正投入到此行业中来>芯片实验室的要素

　　按照目前的理解，芯片实验室是富有一定功能的，功能化芯片实验室大体包括三个部分：一是芯片；二是分析仪，包括驱动源和信号检测装置；三是包含有实现芯片功能化方法和试剂盒。

　　芯片本身涉及到两个方面：一是尺寸；二是材料。现有典型的芯片约为几个平方厘米，一般的通道尺寸为10～100mm宽，5～30mm深，长度约为3～10cm。其通道总体积较一般电泳毛细管小一个数量级左右约纳升级（10－9L）。可用于芯片的材料最常见的为玻璃，石英和各种塑料。玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，可用比较熟悉的化学方法进行表面改性，加工成本较高，封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚碳酯（PC）等，它们成本低，可用物理或化学方法进行表面改性，制作技术和玻璃芯片有较大的区别。

　　样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用，这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。人们常采用高压电源产生电场力或泵产生正、负压力作为驱动源。由芯片内产生的信号需要被检测，目前最常用的检测手段是激光诱导荧光，此外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。激光诱导荧光检测器主要由激光源、光学透镜组和以光电倍增管或CCD为主的荧光信号接收器件组成。特点是检测灵敏度高，被广泛采用；但现阶段其体积仍然偏大。驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分，其体积的大小直接决定了芯片分析仪的大小，因此人们正努力追求将这两部分做到最小。

　　电化学检测由于其体积较小，与高压电源一起可制成便携式分析仪在尺寸上和芯片实验室的概念匹配，加之有电化学响应的物质很多，所以在芯片中的应用研究较多。电化学检测器的一般做法是将电极集成到芯片上，采用安培或电导法进行检测，其中电泳分离电压对检测电流的干扰是电化学检测需要克服的问题之一。用于电化学检测的电极材料有碳糊、碳纤维、铜丝、金丝等。被检测物质有氨基酸、肽、碳水化合物、神经递质等。把电泳分离、酶联免疫和生物化学集成于一体的芯片实验室研究已有报道，已可能实现多人同时检测或多种免疫指标的同时检测。

　　诚然，检测的方式多种多样,研究者们正努力将现有的检测方法移植到芯片实验室的检测上，如质谱法、紫外-可见检测法等等。现行的质谱仪一般都体积庞大，与芯片实验室的发展不匹配，不过，近来Polla等研制出了质谱芯片，他们把离子化腔、加速电极、漂移腔、检测阵列等器件集成在只有一枚硬币大小的硅片上，检测质量达10-12克。

　　功能化试剂盒是各种专一性芯片实验室的特征性组成部分，它将寓于各种应用之中。>芯片实验室的特点

　　芯片实验室的特点有以下几个方面：

　　一、集成性。

　　目前一个重要的趋势是：集成的单元部件越来越多，且集成的规模也越来越大。所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀（包括主动阀和被动阀），微泵（包括机械泵和非机械泵）；微混合器，微反应器，当然还有微通道和微检测器等。最具代表性的工作是美国Quake研究小组将3574个微阀、1000个微反应器和1024个微通道集成在尺寸仅有3.3mm×6mm面积的硅质材料上，完成了液体在内部的定向流动与分配。

　　二、分析速度极快。

　　Mathies研究小组在一个半径仅为8厘米长的园盘上集成了384个通道的电泳芯片。他们在325秒内检测了384份与血色病连锁的H63D突变株（在人HFE基因上）样品，每个样品分析时间不到一秒钟。

　　三、高通量。

　　如上所述的Quake和Mathies两个研究小组的研究成果已显示出这一特点。

　　四、能耗低，物耗少，污染小。

　　每个分析样品所消耗的试剂仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积只需纳升级或皮升级。Ramsey最近报导，他们已把通道的深度做到80nm，这样其体积达到皮升甚至更少。这样不仅能耗低，原材料和试剂及样品（生物样品和非生物样品）极少（仅通常用量的百分之一甚至万分之一或更少），从而使需要处理的化学废物极少，也就是说，大大降低了污染。

　　五、廉价，安全。

　　无论是化学反应芯片还是分析芯片由于上述特点随着技术上的成熟，其价格将会越来越廉价。针对化学反应芯片而言，由于化学反应在微小的空间中进行，反应体积小，分子数量少，反应产热少，又因反应空间体表面积大，传质和传热的过程很快，所以比常规化学反应更安全。而分析芯片因污染小，而且可采用可降解生物材料，所以更环保和安全。>芯片实验室的发展趋势

　　片实验室由于它的发展涉及很多学科，又由于研究者的专长和兴趣不同，研究的侧重点不同，因此重现出发展的多样性，总的发展朝着更加完善的方向发展。

　　1．芯片制造由手工为主的微机电(MEMS)技术生产逐渐朝自动化、数控化的亚紫外激光直接刻蚀微通道方向发展。

　　2．将泵、阀、管道、反应器等集于一体，呈高度集成化。最具代表性的工作是美国Quake研究小组将三千多个微阀、一千个微反应器和一千多条微通道集成在尺寸仅有几十个平方毫米面积的硅质材料上，完成了液体在内部的定向流动与分配。

　　3．用于芯片实验室制造的材料呈现出多样式，朝着越来越便宜的方向发展。由最初的价格昂贵的玻璃和硅片为材料，发展成为以便宜的聚合物材料，如聚二甲基硅烷（PDMS）、聚甲基异丁烯酸（PMMA）和聚碳酸酯（PC）等。因而，为将来的一次性使用提供了基础。

　　4．由于不同样品分离检测的需要，分离通道表面的改性呈现出多样性发展。用磺化、硝化、胺化及把带双官能团的化合物耦合到表面的胺基上的办法加以修饰可获得各种分子组分的表面；用EDA、PDA、CAB、SPH及有机硅烷和无机氧化物等加以修饰微通道表面，以改善吸附特性，改变疏水性和控制电动力学效应以提高分离效率。

　　5．芯片实验室的驱动源从以电渗流发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段。一种利用离心力的芯片已经商品化，被称为Lab-on-a-CD，因为该芯片形状象一个小CD盘。

　　6．芯片实验室的检测技术朝着多元化发展。目前最常用的检测器是荧光和电化学检测器。随着固态电子器件的发展，一些传统的检测方法也进入这一领域，如采用半导体微波源的MIPAES检测、不需标记的SPR检测、快速阻抗谱（FIS）检测、NIR时间分辨荧光检测。

　　7．应用方向：芯片实验室已从主要应用的生命科学领域扩展到其它领域。例如用于DNA、RNA、蛋白质等方向分析检测，还用于化学和生物试剂、环境污染的监测；监控微秒级的化学和生物化学反应动力学；用于许多化学合成反应的研究，药物和化学合成与筛选等。因此，芯片实验室不仅为分析化学家，也为合成化学家特别是药物合成化学家打开了通往无限美好明天的大门。

　　8．芯片实验室产业化发展越来越明显、越快速。由于它的基础研究和技术研究越来越专和精，使整体技术发展速度加快，再加之它朝着检测功能化方面发展，其应用前景越来越广。因此，产业化前景看好，有可能成为新的经济增长点。

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