1. 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。

   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。

2.芯片实验室的特点

   芯片实验室的特点有以下几个方面：

其一、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。

其二、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。

其三、高通量。如上所述的Quake[9]和Mathies两个研究小组的研究成果已显示出这一特点。

其四、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。

其五、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。