微分析,微反应器

微流控芯片
• 芯片实验室最基本的元素。 • 以亚微米到微米级别的微管道为网络连接 微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测 元件等具有光、电和流体输送功能的元器 件，最大限度地把采样、稀释、加试剂、 反应、分离、检测等分析功能集成为一体 的微全分析系统 。
浙江大学加工的标准 化普及型玻璃芯片
大连化物所加工的各种类型微流控芯片
NMR of water
ESI - chip coupling to MS
Oleschuk & Harrison, Tr. Anal. Chem. vol. 19, no. 6, 2000, 379-388
GlucoWatch
商品化微流控芯片生化分析仪
微流控芯片在有机合成方面的 应用
• 微流控芯片被应用于有机合成和药物合成及筛 选时，也即所谓的微反应器。 • 微化工设备与过程被公认为化学工程学科发展 的新的重要方向之一，世界著名高等学府以及 跨国化工公司如MIT、杜邦、Merck和BASF等 纷纷开展了这方面的研究工作。
芯片实验室（Lab-on-a-chip）
特点： • 涉及物理、化学、生物、 材料、医药、化工、微电 子以及微机械加工等诸多 领域，学科交叉综合性极 强。Hot！ • 微型化、集成化。
芯片实验室是一个 正在开幕的舞台， 正等着你
自由地 想象， 自由地发挥！
Burns et. al., Science 282 (1998) 484
芯片试样引入方法
•基于取样探针和缺口型 试样管阵列的微流控芯 片试样引入系统
Du W B, Fang Q, He Q H, Fang Z L. Anal. Chem., 2005, 77: 1330~1337
CE -BIOCHIP INTEGRATION
J.G.E. Gardeniers et al./ JMEMS, 2003, vol. 12, iss.6, 848-862
微流控芯片毛细管电泳
• 最初也是最常用的微 流控芯片生化分析方 法。 • 试剂用量少（nl级） • 分析速度快（<5min) • 传热快 • 仪器微型化
Carlo S. Effenhauser,' Andreas Manz, and H. Michael Widmer Anal. Chem. 1993, 65, 2637-2642
微换热器
Heat transfer rate 20 kW !
微换热器
利用离子液体的 导电性 和热稳定性
反应类型
• 液液反应 • 气液反应 • 液固反应
Gas-liquid reactions
谢谢！
微流控芯片的应用
• 生物医学（生化分析）是当前的微流控芯片的 主要应用领域 • 新药物的合成与筛选（有机合成）是微流控芯 片另一可发挥重要作用的领域 • 微流控芯片还可用于包括食品与商品检验、环 境检测、刑事科学、军事科学以及航天科学等
微流控芯片在生化分析方面的 应用
• 最初氨基酸、醣类、DNA、多肽等分析 • PCR、DNA测序、蛋白质、单细胞、酶 分析、免疫反应分析、手性分离、流式 血细胞计数 • 蛋白组学、基因组学、新陈代谢分析
微流控芯片样品分离模式
• • • • • 毛细管电泳 色谱 膜分离 场流动分馏 其他特殊分离方式
The famous Terry gas chromatograph on a wafer
Terry et al. IEEE Trans.Electron.Devices 1979, ED-26,1880
微流控芯片在生化分析及有机 合成方面的应用
微流控芯片研究所
叶美英
微型化趋势
• 20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的 一个重要趋势是向微型化迈进，特别是纳米材 料以及微电子机械系统（MEMS）的发展，引起 了研究者对小尺度和快速过程的极大兴趣。 • 微型化学化工器件也逐渐成为微型化设备的重 要成员，如微混合器（micro-mixer）、微反应器 （micro-reactor）、微全分析系统μTAS（micrototal-analysis-systems）、微型换热器（micro-heatexchanger）、微型萃取器（micro-extractor）、微 泵（micro-pump）和微阀（micro-valve）等。
微流控芯片检测方法
• 光学： 激光诱导荧光（LIF）、红外、紫外、液芯波 导技术、热透镜、粒子成像流速计，光电二极 管阵列、化学发光、电致发光 • 电化学： 安培检测、电导 检测、电位检测 • 核磁共振 • 质谱
光学检测法
激光诱导荧光（LIF）检测法
红外检测法
UV-waveguides
Linear imaging UV detection Shimadzu MCE 2010
K.B. Mogensen e.a. Opt. Lett. 26, 2001, 716
Thermal Lense Microscopy
Particle Image Velocimetry
电化学检测法
安培检测
Fu C-G, Fang Z-L (2000) Anal Chim Acta 422:71
The first LC on a chip
CEC with micromachined packing
He et al., J.Chromatogr.A 1999, 853, 257
DNA Prism
Huang et al., Nature Biotech.2002,20,1048
微流控芯片流体驱动方式
Glass chip surface catalyzes some reactions
组合化学微反应器
微反应器
微混合器
混合机理： • 扩散 • 层流 • 乱流 • 柱塞流 • 不规则电动混合
Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks
芯片毛细管电泳原理
HV power supply
1
3
D
2
4
Detector
芯片试样引入方法
•电动进样
芯片试样引入方法
• 重力进样
黄艳贞, 方群, 李丹妮. 高等学校化学学报, 2004, 25: 1628~1631
芯片试样引入方法
• 负压进样
Lei Zhang Xue-Feng Yin Zhao Lun Fang，Lab Chip 2005
芯片实验室（Lab-on-a-chip）
• 芯片实验室是指把生物和化学等领域中所涉及 的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基 本操作单位集成或基本集成在一块几平方厘米 的基片上，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。 • 微型化学化工器件单独或相互组合起来，即成 为一个微型实验室系统，即芯片实验室（Labon-a-chip）。
微流控芯片反应器
特点： • 微管道体积小，试剂用量少，产生的废弃物及污染也 少，有毒物质泄漏机会减少，因此也被称为绿色化学。 • 线性尺度小，传质、传热速度快，比表面积大，使微 反应器具有很高的反应效率和产率，反应时间大大缩 短，安全性和选择性明显提高 。 • 高通量、大规模、平行性的特点，可以大规模地比较 各种合成路线和条件 。 • 通过集成各种元器件或微型设备，如微泵、微换热器、 微混合器、微分离器、检测器等对各个反应条件进行 有效精确地控制。具有高度可控制性。
• • • • • • 电渗泵 注射泵（蠕动泵） 重力 毛细现象 亲水疏水作用 离心力
注射泵驱动
IR加热点 TLM检测点
废液
半导体加热制冷片
Centrifugal Microfluidic Platform for Micro-Total Analysis Systems
University of California, Irvine
微流控芯片
优点： • 试剂消耗少 • 制造成本低 • 反应及分析速度快 • 高样品通量 • 集成和自动化程度高 • 可实现一次性使用 面临的一些挑战： • 对于纳米尺度的液体难以操纵 • 与宏观物体之间的接口问题。
微流控芯片材料
• • • • • 玻璃 石英 易碎且加工成本较高 硅片 金属 高聚物材料 价格较低，加工方法多，成本低
Assembly Therriault e.a., Nat. Mat. 2, 2003, 265
Time-periodic recirculaoplets caused by the shearing interaction with the walls