生物芯片技术-第五章 微流控1-2014

5.1 微流控芯片概述
电渗泵结构示意图
➢ 150nm的微泵电极采 用光刻技术加工与玻
璃盖板的表面；微流 道（30μm深、 60μm 宽 ）加工于PDMS底 板上。
➢ 在0.06-15mm间距的 电极对间施加5-40V的 电压，可获得0.010.14mm/s的流速
5.1 微流控芯片概述
• 传热
微通道尺度微小，比表面积很大，体系内的传热迅速，该特 性有利于放热体系温度的控制。
• 层流提供了在微小空间内控制样品浓度、温度等指 标的可能性。
5.1 微流控芯片概述
5.1 微流控芯片概述
NATURE |VOL 434 | 28 APRIL 2019
5.1 微流控芯片概述
• 传质
流体中的溶质和不溶性微粒可通过分子扩散在两相之间转移。 对于球形粒子
扩散系数D
分子扩散通过L距离所需 的扩散时间
管总长度的1%~2%，否 则将影响分离效率
5.1 微流控芯片概述
毛细管电泳： 4.5min内分离了24种 金属离子； 阳极进样，阴极检测； 具有很高的灵敏度；
5.1 微流控芯片概述
1992年微全分析系统TAS
1994年以后，美国一些著名大学研究组的介入使该领域的发展 迅速出现高潮。 1994年Ramsey group 2019年Mathies group 2019年 Caliper Technologies 公司 2019年Whitesides group 2019年惠普公司研制出第一台微流控芯片商品化仪器开始销售 2019年 Lab-on-a-chip学术季刊创建 （2019年中国自然科学基金委启动第一个重大研究计划） 2019年Nature杂志发表芯片实验室专辑
根据芯片功能分类
蛋白检测芯片---- 将具有高度亲和特异性的探针 分子（如单克隆抗体）固定在基片上，用于识别 复 杂生物样品中的目标蛋白/多肽。
蛋白功能芯片----天然蛋白点加在基片上，了解 体系中哪种蛋 白能与已知的某种蛋白结合，用于 天然蛋白活性及分子亲和性研究。
哈尔滨工业大学生物芯片技术课件
微探针阵列 生物杂交为主 一般一次性 高密度杂交反应阵列 DNA等专用生物芯片 领域 深度产业化
5.1 微流控芯片概述
微流控芯片的发展背景
毛细管电泳： 一是采用了0.05mm内径的毛细管； 二是采用了高达数千伏的电压。
5.1 微流控芯片概述
毛细管电泳进样系统：
• 静压力进样和电动进样 • 进样体积一般在纳升级 • 进样长度必须控制在毛细
蛋白质芯片的检测方法
目前常用的蛋白质芯片检测方法主要有两大类： 一类是无标记检测法，它是利用质谱技术、光学原理、 电化学原理等直接分析靶蛋白的分子量和相对含量。 第二类是标记检测法，它使用同位素、荧光染料等物 质对检测物质进行标记，通过相应的仪器，如放射显像 仪、CCD 芯片扫描仪或激光共聚焦芯片扫描仪等对信号 进行检测，从而获得相关的生物学信息。
荧光标记检测 用于荧光检测的仪器很多，比如荧光扫描仪，激光共
聚焦扫描仪等，这种检测技术是以荧光分子作为标记物， 与已知的蛋白质分子结合，但不影响其免疫学活性。这 种检测方法同酶标检测法一样，也是首先在载体上固定 待检测的抗原或抗体，只不过之后加入的是荧光标记的 相应抗原或抗体，然后用相关仪器做自动化分析。
片
域中所涉及到的样品制备、反应、
微流控芯片 分离、检测，以及细胞培养、分
选、裂解等基本操作单元集成到
一块很小的芯片上，由微通道形
成网络，以可控流体贯穿整个系
统，用以实现常规化学或生物实
验室的各种功能。
5.1 微流控芯片概述
1. Sample preparation 2. Mass transport 3. mixing 4. reaction 5. Sample injection 6. separation 7. detection
酶标记检测 用作酶标检测的仪器是酶标仪，这种方法基本原理是
将抗原或抗体与酶偶联结合为酶标抗原或抗体，此酶标 抗原或抗体可与载体上之前固化的相应抗原或抗体发生 特异性反应，这样就在载体上引入了相应量的酶分子。 当加入相应底物后，底物被酶催化成为有色产物，有色 产物颜色的深浅直接与酶标记抗体或抗原的量相关，继 而也与固化在载体上的抗原或抗体直接相关，故可根据 呈色的深浅作定性或定量分析。
R为理想气体常数； N为阿佛加德罗常数； T为绝对温度； η为溶剂的粘度； dp为粒子直径。
相对于对流和湍流，层流中扩散传质速度很慢，特别是生物 大分子。
5.1 微流控芯片概述
例如室温下，稀溶液中，分子量为330的小分子, 直径 为0.5 nm, 扩散经过10 m时需0.2 s，而直径为0.5 m的大分子，扩散经过同样的距离需200 s。 在微流控芯片中，由于扩散距离短，可实现高速分离 。如扩散系数D为7×10-7 cm2/s的血红素蛋白质，扩 散过1 cm距离需106 s（10天），而通过10 m距离 则仅需1 s。
蛋白质芯片概念
蛋白质芯片与基因芯片的区别
DNA芯片与蛋白芯片最大的区别是靶分子和探针分子的结构 差异。
相对于DNA 芯片, 蛋白质芯片技术面临更多困难： ➢ 第一个问题是需要检测的被分析物浓度范围广。蛋白质浓
度存在一个广泛且动态的范围（相差可高达1E10倍）。 ➢ 第二个问题是敏感性障碍。蛋白质表达中没有类似PCR直
蛋白质分子在载体表面的固定通常包括物理吸附法和 共价偶联法。
物理吸附法是指 蛋白质分子通过疏水作用力、静电 作用力、范德华作用力等各种非共价键作用力固化到载 体表面的一种方法。
共价偶联法就是共价键结合法，是蛋白质分子通过酰 胺键、酯键等共价键固定到载体表面的一种方法。由于 通过共价键结合，其结合的作用力很强，所以固化后的 蛋白质分子很难被洗脱。
例如：氟化反应 C-H变为C-F，ΔH=-430kJ/mol 当在微通道中进行反应时，热量能够及时散发，反应可以在
恒温下进行，反应产率得到提高。
5.1 微流控芯片概述
• 相变
微小体系下的相变与宏观体 系截然不同。
以水-冰为例，微量水含有的 成冰晶核数量少，凝结困 难，0℃以下往往也不会 结成冰，这种水称为过冷 水。
5.1 微流控芯片概述
• 层流
与常规流动分析系统相比，微流控分析系统通道尺度的减小， 带来的一个主要变化是在微通道内的流体易形成层流的流动 状态，这一特点也是目前微流控系统与宏观系统相比的主要 特殊性之一。
利用雷诺数Re的数值大小可以判断流体的流动形态
Re
d c
为液体的密度；为流速； dc为管径；为流体的粘度
接扩增方法，因此蛋白质阵列需要间接地非常严格的信号 放大的化学方法。 ➢ 第三个问题是相对于DNA 的碱基配对杂交机制, 蛋白质之 间的相互作用呈现出更强的变化性。而且, 蛋白质的活性 以及相互作用的性质可能需要其它蛋白质的作用和翻译后 修饰。
蛋白质的固化
蛋白质的固化指的就是把蛋白质分子通过各种方法固 定到载体表面上，使之在后续的实验中不会很容易的被 洗脱。
5.1 微流控芯片概述
5.1 微流控芯片概述
• 电渗
电渗是一种流体相对于带电管壁移动的现象，电渗的产生和偶 电层有关。电渗可作为微流体的驱动。
5.1 微流控芯片概述
• 电渗驱动的特点： ➢ 流速大小可由外加电场线性调节； ➢ 施加外加电场的电极可以集成在芯片上，从而缩小了芯片
流体驱动系统的体积 ➢ 各种芯片材料均可诱导电渗流 ➢ 流体前沿为扁平状
通常Re2000时，液体流动表现为层流； Re4000时，液体流动表现为湍流； 2000 Re4000时为过渡流，属不稳定流
5.1 微流控芯片概述
• 在微流控芯片中，通道深仅为数十至数百微米。在 10 m深的通道中，对100 m/s流速的水，其Re值约 为10-3。因此低流速下，在微米尺寸的管道中，稀溶 液的雷诺数远小于1，流体总是表现为稳定的层流状 态。可以互溶的液体，在微通道中也不会因对流而 混合。这时，两束流动的流体在通道中可以平行流 动，形成不相混合的两相。
5.1 微流控芯片概述
常见微流控芯片
材料 ：硅、玻璃、石英和有 机聚合物
单元构成：微通道、微反应 室、储液池
通道：宽20-100µm，深1030µm
通道构型：T 形、十字形和双 T形
5.1 微流控芯片概述
5.1 微流控芯片概述
• 微流控芯片
三维2x2平行合成芯片 实验室示意图。上下 两层的微流控芯片分 别有相应的微结构， 微通道的宽度和深度 分 别 为 240 和 60 微 米 ， 而中间的一层仅在必 要的连接上下两层的 地方钻孔。上下两层 的玻璃基质均为30 x 70 x 0.7 mm，而中间 层玻璃基质为30 x 70 x 0.2 mm。
➢ 进行样品分析的一类微流控芯片 ➢ 集成样品预处理、分离和检测等分析化学领域所采
用的各种操作单元
5.1 微流控芯片概述
微米尺度下流体的若干基本特征： ➢ 微米尺度远大于通常意义上分子的平均自由程。连续性方
程可用，电渗和电泳淌度依然和尺寸无关，流体的运动具 有宏观尺度下流体运动的一些最基本的共性。 ➢ 微米尺度和纳米尺度有本质区别。纳米尺度和分子的平均 自由程相仿，电泳淌度与横截面尺寸相关，电渗减少，影 响液体的动量，流体的控制相对困难。 ➢ 微米尺度下流体的运动特征不同于宏观尺度。表面张力、 粘性力、换热等表面作用增强，惯性力影响减弱。微米尺 度下流体运动的最基本特征是层流和电科：微电子学与固体电子学
2019年10月8日
主要内容
• 5.1 微流控芯片概述 • 5.2 微流控芯片的加工 • 5.3 微流体的驱动与控制 • 5.4 微流控芯片的检测方法
5.1 微流控芯片概述
生
基因芯片
微流控芯片指的是在一块几平
物 芯
蛋白质芯片
方厘米的芯片上构建的化学或生 物实验室。它把化学和生物等领
5.1 微流控芯片概述
5.1 微流控芯片概述
玻璃电泳芯片
石英电泳芯片
PMMA电泳芯片
玻璃4通道阵列电泳芯片
玻璃40通道阵列电泳芯片
玻璃PCR芯片
玻璃细胞捕捉和DNA收集芯片
PDMS-玻璃药物筛选芯片
PDMS-玻璃细胞透析芯片 玻璃-PDMS-玻璃微泵驱动免疫芯片 PDMS-玻璃细胞研究芯片
5.1 微流控芯片概述
5.1 微流控芯片概述
与微流控芯片实验室相关的称谓有： • 生物芯片（Biochip） • 微流控芯片（Microfluidics） • 微流控芯片实验室（Microfluidics） • 片上实验室 (Lab-on-a-chip or Labchip) • 微全分析系统（Micro Total Analysis System or uTAS）
微流控芯片与微阵列芯片的区别
• 微流控芯片与微阵列芯片有显著的不同，它主要依 托分析化学和生物学，芯片的构造为微管道网络结 构，通过微管道中的流体控制来实现分离和分析的 目的，一张芯片可重复使用数十至数千次；而微阵 列芯片主要依托生物学，通过生物分子之间的杂交 实现检测的目的，一张芯片一般只使用一次。
5.1 微流控芯片概述
流动通道 微型化
速度快 （s-ms)
消耗少 (nL-pL)
层流效应
扩散传质效应
尺度效应 表面张力效应
快速传热效应 适于操纵单细胞
通道阵列化 高通量
系统微型化 系统集成化 操作自动化
便携化 普及？
5.1 微流控芯片概述
微流控分析芯片的特点
• 网络结构 • 分析功能齐全 • 分 离 测 定 速 度 快 - 传 热 和 传 质 与 d2 成 反 比 。
- 通道短，场强高，分离快。 • 试样与试剂消耗已降低到数微升水平 • 分析成本低, 环境污染少 • 层流流动，易于控制与利用
- 雷诺数与 d 成正比，为1-200，大大低于湍流 2000 限值。 • 易制成功能齐全的便携式仪器，可用于各类现场分析.
5.1 微流控芯片概述
• 微流控芯片既是一门科学，又是一种技术。 • 理论上讲，微流控芯片可以用于任何涉及流体的科学，其
5.1 微流控芯片概述
典型的微流控芯片
典型的微阵列(生物)芯片
5.1 微流控芯片概述
microfluidic 主要依托学 分析化学，MEMS 科 结构特征 微管道网络 工作原理 微管道中流体控制 使用次数 可重复使用 集成化对象 全部化学分析功能 应用领域 全部分析领域
产业化程度 初始
microarray 生物学，MEMS