從微流控芯片的分析性能看，其未來的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹謴V泛，并且其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷地拓展之中，但目前的重點(diǎn)顯然是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。除此之外，高通量藥物合成與篩選、環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生、刑事科學(xué)及國防等方面也會成為重要的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)僅就微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用舉三個例子說明微流控芯片系統(tǒng)的巨大潛力：

1. 毛細(xì)管電泳分離

毛細(xì)管電泳芯片是微流控芯片中發(fā)展最早、也是發(fā)展最快的一項(xiàng)芯片技術(shù)，目前已經(jīng)成為微流控芯片領(lǐng)域中最令人矚目的一個分支，與傳統(tǒng)的毛細(xì)管電泳相比，它具有自動化程度高、樣品消耗少、分析速度快以及高通量等特征，在對DNA片段、多肽、蛋白質(zhì)等生物大分子的分析中，它表現(xiàn)出了超強(qiáng)的分離分析能力，它被認(rèn)為是后基因時代中最有希望攻克蛋白質(zhì)研究、基因臨床診斷等科學(xué)難題的分離分析手段之一。1992年Manz A發(fā)表了第一篇有關(guān)毛細(xì)管電泳芯片的論文，該文以熒光染料為分析對象，以電滲流作為流體驅(qū)動力，在芯片微流體網(wǎng)絡(luò)中成功地實(shí)現(xiàn)了流體控制，向人們展示了毛細(xì)管電泳芯片的雛形和其優(yōu)越的分離分析能力，這一研究成果引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和興趣，相繼各種用于氨基酸、蛋白質(zhì)、藥物等分離的芯片也不斷開發(fā)成功。為了進(jìn)一步提高芯片的分析能力，Mathies領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近在直徑為200mm的圓盤玻璃芯片上集成384個毛細(xì)管電泳微通道，其有效分離長度達(dá)到了8cm，對100bp(base pair，堿基對)~1000bp的基因標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記物達(dá)到了優(yōu)于10bp的分辨率，并在該芯片上完成了1163D變異基因的PCR-RFLP(限制性片斷長度多態(tài)性)分析，為臨床診斷提供了依據(jù)。我們實(shí)驗(yàn)室研制出了一種新型結(jié)構(gòu)的PDMS電泳微芯片，并已經(jīng)在自行研制的LIF檢測系統(tǒng)上完成了對氨基酸、PCR markers(標(biāo)記物)的電泳分離，臨床應(yīng)用實(shí)驗(yàn)也正在進(jìn)行之中。
毛細(xì)管電泳微芯片是微流控分析芯片中產(chǎn)業(yè)化程度最高、也是最先實(shí)現(xiàn)商品化的一類芯片，早在1999年，美國惠普(現(xiàn)為安捷倫)與Caliper Tech-nologies公司聯(lián)合研制的第一臺微流控芯片商品“2100生化分析儀”就已經(jīng)開始投放市場，該系統(tǒng)使用CAliper公司生產(chǎn)的玻璃芯片，采用LIF進(jìn)行檢測，并配了5~6種試劑盒配合使用，可對DNA、RNA片段及蛋白質(zhì)等進(jìn)行電泳分離檢測，玻璃芯片尺寸為1.8cm×1.8cm，有效分離長度約1.6cm，30min可同時完成12個樣的分離檢測。與傳統(tǒng)的基因和蛋白質(zhì)電泳相比，芯片毛細(xì)管電泳無需樣品的走膠、染色、脫色工序，無需干燥和照相等煩瑣耗時的步驟，同時快速測試多個試樣，獲得基因和蛋白質(zhì)的電泳圖和曲線。整個測試過程簡化為快速、簡易的三個步驟：裝載樣品、進(jìn)行分析、觀察數(shù)據(jù)。

2. 基因測序

毛細(xì)管電泳的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是基因測序，正是因?yàn)?6根毛細(xì)管電泳陣列儀廣泛地應(yīng)用于人類基因組計(jì)劃的測序工作之中，才使舉世矚目的人類基因組計(jì)劃的進(jìn)程大大加快，使之由原定的2003年提前到2000年基本完成。事實(shí)上，從基因測序的原理來講，芯片毛細(xì)管電泳測序和普通毛細(xì)管電泳測序是完全一致的，但前者表現(xiàn)出了更大的優(yōu)越性：首先由于芯片毛細(xì)管電泳獨(dú)特的注樣方式和更細(xì)的分離通道，所以它能實(shí)現(xiàn)DNA的快速分離；另一方面微流控芯片采用了半導(dǎo)體工業(yè)中成熟的微加工技術(shù)進(jìn)行制造，所以一塊芯片上可以集成更多的毛細(xì)管，實(shí)現(xiàn)高通量測序；最后由于它實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物處理和分析的集成化，減少了人為干擾，因此更進(jìn)一步地降低了操作成本。
Mathies領(lǐng)導(dǎo)的研究小組早在1995年就開始在微流控芯片上開展了DNA測序工作，他們在一塊有效分離長度為3.5cm的芯片上測序了150個堿基，他們利用芯片變性毛細(xì)管電泳在10min之內(nèi)就完成了對433個堿基序列的測定。該測序芯片的毛細(xì)管長度為3.5cm，橫切面尺寸50μm×8μm。為了進(jìn)一步提高DNA測序能力，到2001年他們在直徑為150mm的圓形玻璃芯片上，刻蝕出了96個呈輻射型排布的毛細(xì)管電泳通道陣列，由于芯片采用旋轉(zhuǎn)掃描LIF法進(jìn)行檢測，所以可實(shí)現(xiàn)平行測序，測序達(dá)500堿基。

3. PCR反應(yīng)

生化反應(yīng)芯片的功能就是把在普通實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的生化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)縮微到一塊小小的芯片上來完成。目前報(bào)道的生化反應(yīng)芯片主要包括聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerize Chain Reaction，PCR)芯片、藥物合成芯片等，其中PCR芯片是生化反應(yīng)芯片的典型代表。眾所周知，常規(guī)PCR需要制樣、擴(kuò)增及檢測等步驟，既費(fèi)時又費(fèi)力，而當(dāng)用微流控芯片進(jìn)行PCR擴(kuò)增及相關(guān)檢測時，則可大大簡化操作步驟、顯著提高檢測效率。1993年Northrup等人以硅片和玻璃為基質(zhì)材料首次報(bào)道了一種PCR芯片，并通過實(shí)驗(yàn)證明了PCR芯片可行性。該芯片的反應(yīng)室刻蝕在硅片中，體積約為幾微升，加熱器也直接集成在芯片上，與傳統(tǒng)的PCR相比，在相同擴(kuò)增效率下，該芯片的熱循環(huán)效率快2~ 10倍。我們實(shí)驗(yàn)室利用MEMS技術(shù)在硅片上研制出了一種PCR芯片，并實(shí)現(xiàn)了PCR擴(kuò)增反應(yīng)，芯片加熱器和溫度傳感器都全部集成在芯片上，該芯片的最大升溫速度是15℃/s，降溫速度為15℃/s，為了使芯片系統(tǒng)達(dá)到智能化控制的目的，我們還開發(fā)出了相應(yīng)的熱循環(huán)控制器，實(shí)物圖如圖2所示。為了進(jìn)一步提高PCR芯片的熱循環(huán)速度，Kopp M U等人發(fā)展了一種連續(xù)流動式的PCR芯片，流動式芯片下面有95℃、72℃、60℃三個不同的恒溫區(qū)間，當(dāng)樣品流經(jīng)它們時就會實(shí)現(xiàn)自動變溫，在流動中完成變性、退火和延伸反應(yīng)，達(dá)到PCR擴(kuò)增的目的。
另外，一旦把PCR芯片與毛細(xì)管電泳芯片二者集成起來的時候，其優(yōu)勢就顯得更為明顯。Lagally E T等人在玻璃芯片上制作了集閥門、疏水孔、PCR反應(yīng)池以及毛細(xì)管電泳(Capillary Elec-trophoresis，CE)于一體的芯片系統(tǒng)，PCR反應(yīng)池體積是280nL，PCR擴(kuò)增前所需模板濃度為20拷貝/mL，反應(yīng)室中平均僅為5~6個DNA模板分子，加熱器和熱電偶集成在芯片的背面，10min即可完成20個循環(huán)。反應(yīng)完成后，PCR反應(yīng)產(chǎn)物在電滲泵的驅(qū)動下進(jìn)入毛細(xì)管電泳芯片中，進(jìn)行在線CE分離分析。該芯片系統(tǒng)集取樣、PCR擴(kuò)增和CE分離于一體，節(jié)省了試劑消耗、加快了分析速度，同時也避免了實(shí)驗(yàn)操作中的人為污染。