互动科普

口袋里的生化实验室

翻译 项春生

将化学实验室里的烧杯、吸管、加热器、化学药品等杂七杂八的东西统统压缩到一张微芯片上，然后挂在钥匙扣上随时备用——这是否超出你的想象？很多公司和高校都在开发微芯片，准备用它检测生化武器、被污染食品中的毒素含量等。不过，现在的微芯片还远达不到携带方便的要求。单就检测血液或食品中的毒素而言，操作很简单，但给微芯片上的微管加入液体样品时，所需要的仪器却是一个庞然大物。

为了解决上述难题，两个研究小组将微流体技术引入微芯片的开发与制作。借助气流或电力驱动液体分子，这两个小组将取样、分析和报告所需的设备，集成到一个仅有数平方厘米大小的模块上。尽管目前的芯片制作过程都是用手工完成的，但随着技术的进步，微芯片的大批量生产最终会成为现实。微芯片可以快速检测HIV病毒、炭疽杆菌、大肠杆菌等病原体；可以“入驻”糖尿病患者体内，随时监控血糖和胰岛素的水平。它们将迅速在发展中国家普及，成为战场上、普通家庭必备的医疗设备。

用气流推动

因为能在较短时间和狭小空间内，同时进行数百个实验，所需费用却很低廉，微芯片越来越受科学家的欢迎。通过微型通道和阀门，芯片可以加热、冷却或混合数量极少的样品和试剂，还能引入电刺激等外界条件。不过，由于液体的独特性质，要完成加热等操作，必须借助体积相对“臃肿”的外部设备。在直径极小的毛细管道中，即便是浓度非常低的溶液，都会像糖浆一样黏稠，很难流动起来。然而一旦开始流动，它们又很难与其他试剂混合，触发化学反应。如果使用压缩空气驱动液体，需要冗繁的管道设备；使用电力驱动，高电压源又是个难题。

微芯片的推广速度并没有因此放缓，甚至一些更复杂的实验也开始使用微芯片，这迫使科学家不得不思考：如何简化外部设备？1998年，美国密歇根大学安阿伯分校的化学工程师马克·伯恩斯（Mark Burns）和遗传学家戴维·伯克（David Burke），向世界展示了第一张可以鉴别特殊基因或相关基因突变的芯片。从那时起，科学家开始缩小和整合微芯片的外部设备。伯恩斯说：“我们要实现的目标是，任何人在任何时候都能方便地使用遗传分析设备，即便在家里也是一样。”如果孩子在午夜出现流感症状，家长就可以立即使用微芯片进行分析，而无须急匆匆地将孩子带到医院，经过长时间等待得到检查结果。

微芯片上，对样品中基因的分析始于扩增（即基因不断复制、增多的过程）：基因首先与特定的酶混合，经过温育后，就会产生几百万个基因拷贝。再将这些拷贝与另一些酶（剪切酶）混合，把它们剪切成无数DNA片段。随后，向DNA片段加入荧光染料分子，它们结合到一起后，就开始进行电泳分析（在电场作用下，DNA片段在凝胶中迁移的过程）。由于DNA片段的迁移速率取决于它的大小和带电情况，通过观察DNA的迁移速度，我们可以得到很多信息，比如它是否与致病微生物的DNA片段相匹配。

1993年，伯恩斯就开始从事相关研究，5年后，他带领的团队发明了用微弱气流将液滴推进通道的方法，“就像我们用嘴将一滴液体吹进麦秆”。当时，伯恩斯已经制定好了以后的研究计划：能在0.5 cm宽、3.0 cm长的芯片上（大小相当于半片口香糖），进行温度调控、基因扩增、电泳和荧光检测等所有操作。

但伯恩斯的研究面临着巨大的难题，因为能完成上述几个操作的设备都在晶片外部。于是，在接下来的7年里，伯恩斯和伯克都在做一件事：缩小外部设备。正当他们步履维艰之时，一种技术的进步，让他们受益匪浅。上世纪末，聚合酶链式反应（PCR）技术取代原来的DNA扩增方法（链置换扩增技术，SDA），成为基因扩增领域的主流技术。PCR只需要一种酶，而不是原来的两种，极大地简化了化学反应过程。不过，PCR对温度控制的要求却提高了。对SDA来说，芯片只需要将样品加热到50℃，然后保持不变就行；PCR则不同，加热和冷却必须周期性循环：从90℃下降到50℃，再上升到70℃（上述温度都是大概值，对于不同的基因，会有不同的温度要求），然后重复35次。而且每次试验开始前，科学家必须经过多次筛选，才能确定最适合的温度。这是一个费时费力的过程，从未有人想过用一张伯恩斯和伯克想像中的芯片来完成它。

为了避免相互干扰，芯片上负责不同步骤的点之间必须隔热，因而把所有反应过程集中到一块芯片上，将是一项巨大的工程。伯恩斯和伯克花费了数月时间，测试不同材料和不同样式的阀门，并修整通道连接以及检测包膜。这些工作完成后，他们就可以驱动和混合各种分子，还能利用虹吸原理除去某些反应产生的过量液体。

但做了这些还不够。打开、关闭阀门以及推动液体，都需要压缩气流提供动力，而压缩空气输送管道却占了不小的体积。伯恩斯和伯克发现，如果用石蜡制作阀门，问题就变得简单了。分析时，特定位置的电子元件加热阀门，使石蜡软化，气流就很容易打开或关闭阀门。这样一来，芯片只需要两根管道，设备体积明显缩小。2005年，伯恩斯和同事成功地将电子、传感、加热和电泳部件全部整合到一块直径2.5cm的硅晶片上，液体通道则安置在一块玻璃基片上。

伯恩斯的研究小组将自己设计的基因芯片命名为“VIPER”（阀门、整合、PCR、电泳、限制性消化5个词的英文首字母缩写），主要用于鉴定流感病毒的突变型基因（见下页图）。利用基因芯片，15分钟就能完成遗传学分析，而在常规实验室中，使用PCR技术完成分析需要150分钟。伯恩斯说：“微芯片也可检测其他的疾病，分析时只需要更换液体试剂就行了，就像在电脑上使用不同的软件，做不同的工作一样。芯片成功‘瘦身’，也标志着批量生产即将成为现实，到时候，每块芯片的价格还不到1美元。”

现在最主要的问题是，为芯片提供压缩空气的设备仍在芯片外部。芯片系统需要利用手指大小的低压二氧化碳管，将压缩空气输送到各个阀门。另一个没有集成到芯片上的设备是蓝色LED，在电泳时，它会激发结合在基因上的荧光染料，发出荧光。为了解决最后的难题，伯恩斯提出了一个新的构想：将这些组件集成到第二张芯片上，再把两张芯片安装到同一个USB闪存驱动器上。伯恩斯说：“为了实现这个构想，我几乎天天泡在实验室。虽然这是一项很艰难的研究任务，但还是有可能完成的。制作iPod大小的设备，并内置一个压缩空气筒将会越来越容易，多重芯片也可以这样制作。”

伯恩斯和伯克的研究经费还有很大的缺口，他们不得不募集私人资金。美国威斯康星大学麦迪逊分校的生物化学工程师戴维·毕比（David Beebe）对此很乐观，他认为伯恩斯和伯克的研究“已经足以说明便携式芯片商业化的可行性”。或许，很快就有人为他们的研究提供资金。

电力推动

伯恩斯的研究已经说明，设计“芯片实验室”的最大难题是，如何以尽可能小的动力，去推动芯片上的液体。为了解决这个问题，美国麻省理工学院军事纳米技术研究所的科学家设计了一种微型泵。

马丁·巴赞特（Martin Bazant）是一位应用数学家，也是这项研究的主要负责人，他以电力替代压缩空气作为液体的推动力，“这样就没有活动部件，能简化制作工序”。他的研究小组研制的微型泵只需要很低的电压，一颗手表电池就足以供电。

巴赞特借用了电渗原理——在电场内，溶液中的带电分子会发生整体的定向运动。前些年，电渗泵要在100伏以上的直流电下才能工作，无法用于维持芯片实验室的运转。但在1999年，一则报道让科学家喜出望外：交流电也能产生电渗现象。由于在一个通道内，交流电系统可以使用多个电极，因此只需要较低的电压就能维持设备的运转；相反，直流电系统在通道的两个末端只有一个电极，必须使用高电压。

我们可以把交流电系统看作一段铁路。电极相当于低平的枕木，液体则覆盖在两条铁轨中间。即便电极在正负之间不断转换，液体始终向一个方向流动。乍一看，这似乎不可能，因为液体中分子会随着电极的转换而来回移动，实际移动距离为零。但是，当使用了不规则的电极、电极间的距离不均一或者覆盖一层特殊的材料，液体就会向一个方向移动。

只是，交流泵只能让液体以缓慢的速度向前流动——这仍然是一个亟待解决的问题。2003年，巴赞特和同事推测，如果把电极设计成一个两级阶梯(从末端看)，产生复杂的三维液流，也许能让液体更快速地流动。这一设想似乎有悖常识，难道阶梯状能影响液体的流动速度？

的确如此。在普通交流系统中，平整电极产生的交流电会让液体产生向后流动的趋势，从而减慢迁移速度。阶梯状电极则不同，它能使在两极之间做反向移动的分子形成回流，产生一个涡流。当多个电极之间出现数个涡流时，就会像传送带一样将上层液流向前移动。

2006年，巴赞特的团队开发出了一个交流电渗输送器。在同一电压下，这种输送器的传递速度是“老式输送器”的10倍以上，在巴赞特看来，这甚至已经接近气压驱动系统的传输速度。此外，当他们测试样机时，研究人员发现漩涡中分子的滞留时间很短，几毫秒内就会向外扩散。这无疑是一个好消息，扩散过程将确保样本中的所有分子向前推进，最终完成生化反应，这也打消了在漩涡中某些分子无法参与反应的疑虑。

微芯片还有一个缺陷：在电极附近，离子会聚集在一起，造成“交通堵塞”。巴赞特认为，这是一个比较容易解决的问题，比如加入能防止离子聚集的分子、稀释样品或在电极上涂一层疏水材料。巴赞特的团队正在进行最艰难的研究：将微流体分析元件安装到输送器上，制作一个完整的“芯片实验室”。他说：“我们的目标是为（美国）陆军制造一个手表大小的装置，可以在唾液或血液中寻找特殊信号，比如信使RNA序列，这标志着身体在对各种各样的生化武器作出反应。”

即使便携式“芯片实验室”成为现实，一些评论家仍然会怀疑，是否每个人都需要这样的芯片？事实已经给出了答案。在美国，医生会把病人的血液等样本送到实验室检查，这样不仅需要较高的成本，而且效率低下。医院一般都有自己的实验室，但“大多数检测都不能立即给出结果”。

微芯片有着巨大的市场。它能满足很多普通家庭的需求，而且在很多发展中国家，还能提高当地的医疗诊断水平。在这些地方，常规实验室很少，医生也只会为病人检测一次，“所以最好能把检查结果当面告诉病人，”巴赞特说。

在战场和远离医院的地方，如果能及时诊断，无疑将提高病人的存活率，而微芯片无疑能提高诊断效率。当芯片足够小，或许还能够移植到人体内，结合到肿瘤上，实时检测到肿瘤是不是在生长，药物是否在发挥作用。伯恩斯说：“我们想让大家知道什么是可能的，也想让大家知道微芯片将变得多么智能化、拥有多么强大的功能。”