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1.1 研究背景
1.1.1 微流控芯片发展历史
在飞速发展的信息时代，计算机技术已成为社会前进的核心动力。从对基因序列的分析到为广阔宇宙的探索，人类想了解未知领域都需要计算机的帮助。
从最近的发展来看，科技的发展对器件小型化的要求正越来越高。器件尺寸的减小有效地利用了的资源，极大地提高了工作效率和自动化程度。近几年，基于微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）技术而迅速发展了微全分析系统（Miniaturized Total Analysis Systems），其中微流控芯片（如图1）（microfluidic chip）是发展的热点领域，具有广阔的前景。微流控芯片技术是在一块微尺寸的芯片上实现生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作，全过程都是自动完成的。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。
1：微流控芯片
微流控分析芯片开始只是纳米技术革命的一个部分，在经历了一段真空期之后，最终实现了商业化。微流控分析芯片最初在美国被称为“芯片实验室”（lab-on-a-chip），在欧洲被称为“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），随着材料科学、微纳米加工技术和微电子学所取得的突破性进展，微流控芯片也得到了迅速发展。制造加工和应用方面的问题一直是阻碍微流控技术发展的瓶颈。芯片与任何远程的东西交互存在一定问题，更不用说将具有全功能样品前处理、检测和微流控技术都集成在同一基质中。由于微流控技术的微小通道及其所需部件，在设计时所遇到的喷射问题，与大尺度的液相色谱相比，更加困难。上世纪80年代末至90年代末，尤其是在研究芯片衬底的材料科学和微通道的流体移动技术得到发展后，微流控技术也取得了较大的进步。为适应时代的需求，现今的研究集中在集成方面，主要是关于生物传感器的研究，开发制造具有超强分析能力的微型多功能芯片。
在1990年瑞士Ciba-Geiby公司的Manz与Widmer[1]首次提出微全分析系统的概念是，主要要求的系统的性能是“微”与“全”，及微管道网络的MEMS 加工方法，而并未明确其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，从而把微系统的主要构型定位为一般厚度不超过5毫米，面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片[2]。1994年始，美国橡树岭国家实验室在Manz的工作基础上进行的改进，并且以实验室的名义发表了一系列论文，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。在此状况下，在荷兰Enched举办了首届µTAS会议，起到了推广微全分析系统的作用。1995年美国加州大学Berkeley分校的研究人员在微流控芯片上实现了高速DNA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，Caliper Technologies公司在美成立，虽然只有三十多名雇员，但一年即集资近千万美元。1996年经过实验，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试样处理方面的潜力，次年他们又实现了微流控芯片上的多通道毛细管电泳DNA测序，从而为微流控芯片在基因分析中的实际应用提供了重要基础。与此同时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也在加紧进行，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著名分析仪器生产厂家合作，利用各自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪器。1999年9月惠普（现Agilent）与Caliper联合研制的首台微流控芯片商品化仪器开始在欧美市场销售，至2001年8 月已可提供用于核酸及蛋白质分析的5-6种芯片[3]。其它几家厂商也于2001年开始将其产品推向市场。