解析微缩芯片上在生化实验室的应用

疾病早期诊断对于降低医疗成本的作用相当巨大，作为体外诊断的一个分支，“芯片实验室”很好地解决了疾病诊断中的方便、经济、快速等诸多问题，被IBM评为将在未来五年内改变世界的五大创新之一。

在许多科幻电影和特工电影中，我们常常能看到一些可以植入到人体中的小芯片，用来增强人体机能、监控个体行为甚至可以作为嘀嘀一响就把人炸成粉的杀人武器，比如这样的：

这样的：

甚至这样的：

而当无人驾驶汽车、完虐人类围棋高手的AlphGo等等以前只能在科幻电影中见到的“未来科技”逐一出现在了我们现实生活中的时候，这样的“小身材有大智慧”的智能芯片似乎也能够梦想照进现实了。

事实上，如今已经有这么一些“芯片实验室（Lab－on－a－chip）”出现了，并且其发展速度是非常快的，全世界至少有30多个包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学和加州大学等在内的重要实验室正从事着这一领域的开发和研究工作。

什么是“芯片实验室”？

顾名思义，你可以把这个概念理解成将一个实验室微缩到一张小小的芯片上，也就是说在这样的指甲盖大小级别的地方实现实验室那样的功能。芯片实验室是把基本的生化操作单位集成或基本集成一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术，它还有一个更常用的名字叫做微流控芯片，或者换一种说法就是微流控芯片的最终形态。

没错，您可以把它理解成一张可以完成实验室工作的芯片，但是稍微开一下脑洞就能想到，以我们今天科技发展的尿性来看，芯片实验室能做到的肯定不仅如此，而且相比于基因芯片和蛋白质芯片等，它具有更广泛的功能和应用场景。

举两个栗子

1、检测疾病风险基因

两年前英国伦敦帝国理工学院的克里斯·图马佐教授开发了一种带有USB插头可以做DNA检测的微芯片，他用这样的芯片来检测一个人患某种疾病的风险。该芯片功能专一，比如其中一种只能检测糖尿病风险，而另一种只能发现心脏病风险基因，但是根据在芯片中预置的基因序列的不同，芯片可以实现的疾病易感因素是非常广泛的。

被检测者不需要花费高昂的价格去专业的实验室中做检测，并且等待几个星期来拿到结果，而只需要花费低至20美元的价格，在30分钟内就可以查清楚自己是否携带有某种疾病的风险基因。

因为这项发明，图马佐教授还在2014年获得了欧洲专利局授予的“年度发明人”称号。

2、辅助疾病的早期诊断

今年2月份斯坦福大学的一群科研人员发表了一篇技术研究论文，描述了他们开发出的一款成本只需要1美分、制造时间只需要20分钟的“芯片实验室”，它可以处理小容量的细胞样本进行化验分析，来帮助进行一些疾病的早期诊断。

来源：斯坦福大学新闻中心

相比于传统的流式细胞仪检测机，这样的芯片实验室的制造成本和时间低了好几个数量级，廉价又高效的优势将大大加快医学诊断的普及。（详情点击《斯坦福链接》查看）

市场和前景预测

IBM Research 每年都会对未来5年内将改变人类生活的5项创新进行预测，而今年给出的这份“5 in 5”表单中，芯片实验室的名字赫然在列。

来源：IBM Research

IBM Research写道：

5年内，新的医疗芯片实验室将成为用来检测健康状况的纳米技术探测器，在我们的体液中追踪疾病的线索，帮助疾病的早期诊断。这样的技术将把一个全面的生物化学实验室检测疾病的过程全部微缩到一块小小的单硅芯片上。

由于芯片实验室在医疗健康和药物开发中有着越来越广泛的应用，尤其是在即时诊断中的应用，其全球市场预计将快速增长。

Transparency Market Research （TMR）报告预计，2016年至2024年间，全球芯片实验室市场的年复合增长率为10．7％，按照这一速度，2024年的全球市场规模将从2016年的38．8亿美元达到87亿美元。其中北美、欧洲仍将处于领先地位，但是有着巨大人口基数和不断高速发展的技术的推动，亚太地区将表现出更大的增长态势，预计年复合增长率可以达到12．3％。

在产品方面，全球芯片实验室市场可分为试剂、仪器和耗材等三个方面。其中，仪器在收入方面占据主导地位。2016年，由于微流体产品在行业中的高接受度，该细分市场占据了45％的市场份额。除此之外，试剂和耗材的增长也将不落下风。

生物分析技术的小型化不仅让消费者，也让生产厂商和服务商尝到了巨大的甜头，因此对于芯片实验室的设计要求将会更加严格。