晶片上的檢驗室
更新日期: 2007-12-09 記者:撰文∕蔡宙（Charles Q. Choi） 翻譯∕甘錫安  |
想像一下，把實驗室中的燒杯、滴管、化學藥劑和加熱器等，縮小成可掛在鑰匙圈上的微晶片會是什麼狀況？越來越多公司和大學宣 稱已製作出這類神奇產品，可執行從偵測士兵血液中的生物戰劑，到鑑定遭污染的漢堡肉中含有的毒素等重要分析。不過，這些新產品幾乎全都和「可攜帶」這個形 容詞相去甚遠，檢測一滴血或一小塊牛肉的感測器或許真能放在手上，但要將液化後的樣本送入晶片中微細管子所需的設備，往往比一張桌子還大。
有 兩個研究團隊正在設法克服這個障礙，採用的方式是極具創意的微流體，也就是精確操控極微小的液滴。研究團隊以空氣或電力移動液體分子，將取樣、分析和回報 所需的設備全部整合到大小和USB隨身碟相仿的吊飾上。儘管目前的晶片仍是以手工製作，但這些設計未來可能大量生產，這樣的發展前景最後可能將單晶片檢驗 室帶入最需要它們的地方，包括開發中世界、戰場與家庭，以快速檢驗出愛滋病毒、炭疽菌和大腸桿菌，甚至還可植入糖尿病患者的身體，協助監控患者的血糖和胰島素值。
以空氣推進
單 晶片檢驗室已越來越受研究人員歡迎，因為它可同時進行數百項實驗，所需的時間、空間和成本都比歷史悠久的桌上型儀器少得多。晶片內的微小通道及閥門可加 熱、冷卻或混合少量樣本與試劑，還可執行電刺激等外在檢驗。不過由於液體獨特的性質，因此在內部進行加熱、冷卻與混合所需的周邊設備通常體積較大，一旦封 閉在極為細小的管子內，即使是相當稀的液態化合物，也會變得像糖漿一樣難以推動。奇怪的是，液體開始流動之後，紊流又少得出奇，很難讓它與試劑混合進行化 學反應。因此，若要以壓縮空氣讓液體進入晶片，就需要龐大的管路；若要以電力推動液體，則需要電壓甚高的電源。
這類桌上型單晶片檢驗室可進行的檢驗也變得越來越精密。1998年，美國密 西根大學安娜堡分校的化學工程師柏恩斯（Mark Burns）與遺傳學家柏克（David Burke）展示了史上首枚可鑑定特定基因或其變異基因的晶片。從那之後，研究人員不斷縮小及整合周邊設備，柏恩斯說：「我們的願景是將基因分析設備提供 給所有需要的人，包括在家的一般民眾。」舉例來說，憂心忡忡的父母可在凌晨兩點很快確定生病的孩子是否得了流行性感冒，而不必辛苦地將孩子送到急診室，再苦等檢驗室的結果。
分 析一小滴樣本中基因的第一步，是放大基因：加熱並添加特定酵素，以複製出數百萬個相同的遺傳物質。再將這些物質與酵素混合，以找出並切開特定的DNA序 列，讓螢光染料分子附著在DNA片段上。接下來以電場推動凝膠中的DNA片段（這個程序稱為「電泳」），DNA片段移動的速度取決於片段大小及電荷量，並 可以紫外光觀察，即可看出DNA的特徵，例如是來自致命細菌，還是無害的細菌。
柏恩斯的工作實際上始於1993年，到了1998年，他的 研究團隊已經設計出數種以小股空氣推動液滴的方法，柏恩斯解釋道：「這種方式相當類似我們在吸管中吹動液體。」他們進一步設計讓溫度感應、放大、電泳和螢 光偵測等程序，都可在寬約公分、長三公分，約半片口香糖大小的晶片上進行。
不過，負責控制這些作業的設備仍然擺在晶片周圍。柏恩斯和柏克 又花了七年的時間把設備縮小，他們將原先的DNA放大法（股置換放大法，SDA）換成越來越普遍的聚合連鎖反應（PCR）。PCR只需要一種酵素，大幅簡 化了晶片內的化學反應，但PCR在溫度方面需要超乎尋常的複雜變化。進行SDA時，晶片必須將樣本加熱到50℃，並維持這個溫度；PCR則需要循環加熱和 冷卻，從攝氏90℃降到50℃，再提高到70℃，如此循環35次，必須精確達到100多次獨立的溫度點，以往從來沒有人試圖在柏恩斯和柏克設想的攜帶式裝 置中做到這件事。
不僅如此，每個反應都還必須隔熱。如果將這些程序全都放進一片微晶片，將是極大的成就。柏恩斯和柏克花費數個月，實驗各種樣式的閘門、閥門及材質，此外還測試塗料，以便移動液體來讓分子混合，同時吸走某些反應生成的多餘液體。
2005 年，柏恩斯的研究團隊已將電子、感測、加熱和電泳元件整合在一個硬幣大小的晶片上，液體通道位於玻璃基質中。這款晶片不需要許多高壓空氣管線供應開關閥門 和推動液體的氣動力，只需要兩條管線，大幅縮小體積。柏恩斯和柏克發現可以用蠟製作閥門時，空氣供應的管線更可縮減成一條，晶片內的電子裝置可在分析過程 中的適當時間，個別加熱每個閥門，讓蠟能夠流動，然後就可用空氣壓力開啟或關閉閥門。
該 團隊將這款基因分析晶片命名為VIPER，功能是分辨各種流感病毒的基因（見112頁〈流感偵測器〉）。這款晶片可在15分鐘內完成分析，速度是一般實驗 室中進行PCR的10倍。柏恩斯指出：「只要更換液體試劑，或說『濕體』，即可偵測其他疾病，就像電腦只要更換軟體，就可執行許多種程式一樣……。以這樣 的尺寸而言，大量生產將會相當便宜，每顆晶片成本不到一美元。」
目前所剩的障礙，主要是仍在晶片外部的空氣壓力來源。這套系統可使用大小和手指相仿的低壓二氧化碳氣瓶以及晶片外的電子裝置，將空氣動力分配給各個閥門。
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