将一个庞大的化学实验室微缩成指甲大小的芯片，可用来在家庭和战场上进行快速的生化和医学检测。

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。 　

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