图解微流控芯片实验室
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《微流控芯片》PPT幻灯片PPT
高效便捷的操作
• 荧光+微流控技术 • 支持全血样本 • 4~10分钟完成检测 • 美国原产试剂
Micropoint Confidential 微点公司内部文件，不得外传。
准确可靠的结果
• 结果与大型免疫测试
仪一致（如西门子、 贝克曼）
• mLabs®检测仪总体精 密度CV<10%；
Micropoint Confidential 微点公司内部文件，不得外传。
BBNNBPPNBBNPNBPPNBBPNNBPPNP
Micropoint Confidential 微点公司内部文件，不得外传。
mLabs微流控芯片的性能表现
• 精确控制(在CUTOFF时的CV为8%) • 提高检测速度（4~8分钟） • 适应不同的样品和试剂（成品率高) • 提供一个更好的参数控制反应（反应模型可设计） • 宽动态范围（pg/ml-μg/ml ）
原来，在这种水母的体内有一种叫水母素的物质，在与钙离子结 合时会发出蓝光，而这道蓝光未经人所见就已被一种蛋白质吸收， 改发绿色的荧光。这种捕获蓝光并发出绿光的蛋白质，就是绿色 荧光蛋白。
Micropoint Confidential 微点公司内部文件M，icr不op得oi外nt传Co。nfidential 微点公司内部文件，不得外传。
Micropoint Confidential 微点公司内部M文ic件rop，oi不nt 得Co外nfi传de。ntial 微点公司内部文件，不得外传。
高效便捷的操作
• 德国设计 • 触摸屏设计 • 全中文界面
Micropoint Confidential 微点公司内部文件M，icr不op得oi外nt传Co。nfidential 微点公司内部文件，不得外传。
微流控技术-微流控芯片-精
MEMS技术简介
MEMS与微流控
➢ MEMES：Microelectromechanical System
➢ 由Pfeynman教授发明，1965年诺贝尔物理奖 ➢ 微流控技术被Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一 ➢ 半导体技术应用在各领域
MEMES与Microfluidic Chip
Nano-Dot 3D立体抗体 捕获技术
Nano-Dot 3D立体抗体捕获技术
全新的抗体捕获技术
• 基于MEMS的3D立体捕获矩阵 立体的微型免疫反应器。
Nano-Dot 3D立体抗体捕获技术
全新的抗体捕获技术
• Nano-Dot覆盖 增加捕获区单位基体的容量。
• 增加捕获容量，提高捕获效率 mLabs®检测的动态范围可以跨越9个数量级。
反应速度由膜孔径决定， 无法控制流速
蛋白与膜的结合原理， 主要靠假说来支撑，非 常依赖实践经验
材料脆弱，出现“鬼线”
重复性不好 CV<20%
材料稳定
膜易老化
微点生物微流控生物芯片
加样窗 流体调节器 检测区
废液仓
S-channel微流控技术
微流控
• 微流控（Microfluidic）技术主要是研究一些中介
流体(即生物组织中处于溶液中的细胞、蛋白质、染色体 等)以模式芯片为平台,在电压、热能以及蠕动压差的趋动 下在微通道中的流动性能。
微点生物主动式微流控
• S-channel微流控微型反 应器技术
• 精确控制反应时间--快速 • 提高检测精度--灵敏 • 减少病人样本影响--准确
纳米荧光探针标记技术
原来，在这种水母的体内有一种叫水母素的物质，在与钙离子结 合时会发出蓝光，而这道蓝光未经人所见就已被一种蛋白质吸收， 改发绿色的荧光。这种捕获蓝光并发出绿光的蛋白质，就是绿色 荧光蛋白。
MEMS与微流控
➢ MEMES：Microelectromechanical System
➢ 由Pfeynman教授发明，1965年诺贝尔物理奖 ➢ 微流控技术被Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一 ➢ 半导体技术应用在各领域
MEMES与Microfluidic Chip
Nano-Dot 3D立体抗体 捕获技术
Nano-Dot 3D立体抗体捕获技术
全新的抗体捕获技术
• 基于MEMS的3D立体捕获矩阵 立体的微型免疫反应器。
Nano-Dot 3D立体抗体捕获技术
全新的抗体捕获技术
• Nano-Dot覆盖 增加捕获区单位基体的容量。
• 增加捕获容量，提高捕获效率 mLabs®检测的动态范围可以跨越9个数量级。
反应速度由膜孔径决定， 无法控制流速
蛋白与膜的结合原理， 主要靠假说来支撑，非 常依赖实践经验
材料脆弱，出现“鬼线”
重复性不好 CV<20%
材料稳定
膜易老化
微点生物微流控生物芯片
加样窗 流体调节器 检测区
废液仓
S-channel微流控技术
微流控
• 微流控（Microfluidic）技术主要是研究一些中介
流体(即生物组织中处于溶液中的细胞、蛋白质、染色体 等)以模式芯片为平台,在电压、热能以及蠕动压差的趋动 下在微通道中的流动性能。
微点生物主动式微流控
• S-channel微流控微型反 应器技术
• 精确控制反应时间--快速 • 提高检测精度--灵敏 • 减少病人样本影响--准确
纳米荧光探针标记技术
原来，在这种水母的体内有一种叫水母素的物质，在与钙离子结 合时会发出蓝光，而这道蓝光未经人所见就已被一种蛋白质吸收， 改发绿色的荧光。这种捕获蓝光并发出绿光的蛋白质，就是绿色 荧光蛋白。
FilmArray微流控芯片解密-2芯片内部结构剖析
第二部分：芯片内部结构剖析虽然FilmArray芯片功能复杂，但整个FilmArray芯片可以简单分为两个部分，上面的储液管组和下面的反应层（由于其本质为具有多个密封泡的柔性塑料故命名为柔性袋）。
其基本结构如下图所示。
图2.1：测试芯片由储液管组和柔性袋结构垂直塑封组成。
注意这两个部分并不是重叠排列，而是相互垂直排列，即将储液管组通过热塑封垂直封接到下部分的柔性袋。
其结构类似于将离心管并排（储液管组）竖立粘接在一张水平放置的白纸上（柔性袋）。
2.1 储液管组的基本结构储液管组是由12个具有特殊结构的储液管并列而成，该储液管的材质为PP，或其他具有一定机械强度的材料，能够在内部真空的条件下不会发生明显变形。
储液管内部被抽成真空，便于内部固体试剂的长期保存和测试时液体试剂的吸入。
每个储液管内部预装有不同的冻干试剂，所以实际上内部储存的并非“液体”，而是“固体”。
在储液管组两端分别有样品入口和稀释液入口，用于加样。
如下图为了观察方便使用红色或蓝色液体填充储液管。
图2.2：上层储液管组和下层柔性袋结构。
如图2.2，从图中左到右的顺序，各储液管中冻干试剂分别为：1，过程对照材料（即裂殖酵母细胞，测试时同样经过细胞裂解，核酸提纯，巢式PCR，如果检测为阳性，说明仪器操作和化学过程正常，否则报错，不给出检测结果。
）2,-5, 清洗液，核酸纯化用。
6，核酸洗脱液7，逆转录/PCR-I反应液8，稀释液9,10，PCR-II反应液，含LCGreenplus+荧光染料11，空，或稀释液？反应液？12，空，用于收集PCR-II反应溢流液在专利US8409508中公开了这种储液管组的基本结构以及使用真空吸取液体的原理和过程。
如下图为单个储液管内部结构说明。
单个储液管通过热塑封的方式与柔性袋贴合在一起，其中储液管底部与柔性袋内部的反应池相连通。
储液管壁有两个开口，上面的开口为排气口，用于储液管封装时抽取内部的空气形成真空腔，下面的开口为试剂入口，一般为密封状态，刺破后试剂可被真空吸入。
BioMEMS
微传感器，微执行器以及信号处理电路和控制电路，接口电路，通信和电源有机地集微机械(miceomechanics)低功耗、高速、高灵敏度、高效率等优点；工艺类似的方法进行大规模批量3其中ρ为密度为平均粘度v为运动粘度。
为扩散系数为表面张力)1011Epson Develops a Next-Generation Inkjet Print 12Vol 442, 2006:10.1038, Nature. Liang Dong et al.1316研发的器件与系统19功耗、尺寸、灵敏度、特异性、精确性、稳定性Piezoresistora. Microspike electrode arrayb. Barbed microspikes2425精确的靶向药物治疗对于一些慢26不能满足治疗的需要。
29<1 µL(University of Michigan)1998，Science>100 µL第三届μＴＡＳ会议，加拿大；420被评为当年世界十大科技突破之一3536成从样品引入到化学分离与检测的所有分析。
37“Microfluidics and Nanofluidics”创刊Business 2.0杂志的封面文章称，芯片实改变未来的七种技术”之一商业：（摘自2006年10月国际国际生物芯片技术论坛）40研究内容41微流控芯片实验室原则上适用于从核酸、蛋白质到有机、无机小分子的不同类型分子的反应、分离和检测, 涉及到了几乎全部生物和非生物过程中的化学问题。
42弹性材料——聚二甲基硅氧烷(PDMS) 具有疏水阀、混合器、计量器等功能。
Can we realise a nanoscale assay for a single cell?。
微流控芯片PPT课件
湿法刻蚀是通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀 物质剥离下来的刻蚀方法。大多数湿法刻蚀是不容易控制的各向同性刻 蚀。
特点：选择性高、均匀性好、对硅片损伤少，几乎适用于所有的金属、 玻璃、塑料等材料。 缺点：图形保真度不强，刻蚀图形的最小线宽受到限制。
干法刻蚀的刻蚀剂是等离子体，是利用等离子体和表面薄膜反应， 形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。
特点：能实现各向异性刻蚀，从而保证细小图形转移后的保真性。 缺点：设备价格昂贵，较少用于微流控芯片的制造。
2021
38
从所产生通道截面形状分类，刻蚀又可分为两类：各向同性 刻蚀和各向异性刻蚀。
11
聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法
用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑 性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。
热塑性聚合物有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、 聚丙乙烯等；
固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂 和聚氨酯等，它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变 硬后得到微流控芯片；
31
光刻工艺具体操作步骤
（a） 洗净基片，在基片表面上 镀牺牲层，例如铬等。 （b）在牺牲层上均匀地甩上一层 光刻胶。 （c）将光掩模覆盖在基片上，用 紫外光照射，光刻胶发生光化学 反应。 （d）显影，除去经曝光的光刻胶 （正光胶）或未经曝光的光胶 （负光胶）。烘干后，光刻掩膜 上的二维图形被复制到光胶层上。
2021
21
掩模制备
通常的用于微电子行业的掩膜材料有镀 铬玻璃板或镀铬石英板，在它们表面均匀地 涂上一层对光敏感的光胶。用计算机制图软 件绘制微流控芯片的设计图形，再通过专用 的接口电路控制图形发生器进行光刻，可在 掩膜材料上得到所需的图形。图形发生器相 当于一架特殊的照相机。与一般照相机不同 的是这种照相机并不是由外界物体的光线通 过物镜在底片上成像，而是接受来自计算机 的输入数据成像。
特点：选择性高、均匀性好、对硅片损伤少，几乎适用于所有的金属、 玻璃、塑料等材料。 缺点：图形保真度不强，刻蚀图形的最小线宽受到限制。
干法刻蚀的刻蚀剂是等离子体，是利用等离子体和表面薄膜反应， 形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。
特点：能实现各向异性刻蚀，从而保证细小图形转移后的保真性。 缺点：设备价格昂贵，较少用于微流控芯片的制造。
2021
38
从所产生通道截面形状分类，刻蚀又可分为两类：各向同性 刻蚀和各向异性刻蚀。
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聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法
用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑 性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。
热塑性聚合物有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、 聚丙乙烯等；
固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂 和聚氨酯等，它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变 硬后得到微流控芯片；
31
光刻工艺具体操作步骤
（a） 洗净基片，在基片表面上 镀牺牲层，例如铬等。 （b）在牺牲层上均匀地甩上一层 光刻胶。 （c）将光掩模覆盖在基片上，用 紫外光照射，光刻胶发生光化学 反应。 （d）显影，除去经曝光的光刻胶 （正光胶）或未经曝光的光胶 （负光胶）。烘干后，光刻掩膜 上的二维图形被复制到光胶层上。
2021
21
掩模制备
通常的用于微电子行业的掩膜材料有镀 铬玻璃板或镀铬石英板，在它们表面均匀地 涂上一层对光敏感的光胶。用计算机制图软 件绘制微流控芯片的设计图形，再通过专用 的接口电路控制图形发生器进行光刻，可在 掩膜材料上得到所需的图形。图形发生器相 当于一架特殊的照相机。与一般照相机不同 的是这种照相机并不是由外界物体的光线通 过物镜在底片上成像，而是接受来自计算机 的输入数据成像。
第1-4章-微流控芯片PPT课件
在两块玻璃板尚未键合时板间空气间隙承担了大部分电压降玻璃板可视为平行板电容器板间吸引力与电场强度的平方成正比因此键合从两块玻璃中那些最接近的点开始下板中可移动的正电荷主要是na与上板中的负电荷中和生成一层氧化物正是这层过渡层使两块玻璃板封接该点完成键合后周围的空气间隙相应变薄电场力增大从而键合扩散开来直至整块密合
第13页/共70页
• The concept of "miniaturized total chemical analysis system" or TAS was proposed by Manz et al.
• the main reason for miniaturization was therefore to enhance the analytical performance of the device rather than to reduce its size.
微流控芯片
• Micro Total Analysis System
(MicroTAS, TAS)
微全分析系统
第3页/共70页
Why miniaturization？
Research into miniaturization is primarily driven by the need to reduce costs by reducing the consumption of expensive reagents and by increasing throughput and automation.
• A novel concept of high pressure liquid chromatog.
• a silicon chip with an open-tubular column and a conductometric detector.
第13页/共70页
• The concept of "miniaturized total chemical analysis system" or TAS was proposed by Manz et al.
• the main reason for miniaturization was therefore to enhance the analytical performance of the device rather than to reduce its size.
微流控芯片
• Micro Total Analysis System
(MicroTAS, TAS)
微全分析系统
第3页/共70页
Why miniaturization？
Research into miniaturization is primarily driven by the need to reduce costs by reducing the consumption of expensive reagents and by increasing throughput and automation.
• A novel concept of high pressure liquid chromatog.
• a silicon chip with an open-tubular column and a conductometric detector.
图解微流控芯片实验室
第五十五页，共91页。
胶束电动(diàn dònɡ)芯片色谱
在含有胶束的缓冲溶液中，实际上存在 着类似于色谱的两相，一是流动的水相， 另一相是起到固定作用的胶束相，溶质在 两相之间分配(fēnpèi)，由其在胶束中不同 的保留能力而产生不同的保留值。
第五十六页，共91页。
芯片(xīn piàn)自由流电泳
4）样品间的交叉污染(wūrǎn)得以避免
• 举例：双晶片单向阀
•
•
原理图
第三十五页，共91页。
六、进样和样品(yàngpǐn)预处 理技术
第三十六页，共91页。
1、芯片实验室各种进样方式(fāngshì) 一览
第三十七页，共91页。
第三十八页，共91页。
A、简单(jiǎndān)进样
第三十九页，共91页。
B、悬浮(xuánfú)进样
第十页，共91页。
层流提供了在微小空间内控制样品浓度、宽度、温 度等指标的可能性，是微流控芯片(xīn piàn)得以实现强 大功能并且具有宽广应用面的重要原因
第十一页，共91页。
3、传质(chuán zhì)
• 由于(yóuyú)流体在微通道中以层流形式运 动，层与层之间的质量传递主要依靠扩散 ，扩散传质的公式为：
• 减小表面(biǎomiàn)非特异性作用 • 增强表面(biǎomiàn)特异性作用 • 提高表面(biǎomiàn)稳定性
第二十三页，共91页。
3、表面改性的方法(fāngfǎ)分类
第二十四页，共91页。
4、不同(bù tónɡ)材质芯片的改性方 法分类
1）玻璃(bō lí)、石英
动态(dòngtài)静改电性引力
第四十页，共91页。
C、压缩(yā suō)进样
胶束电动(diàn dònɡ)芯片色谱
在含有胶束的缓冲溶液中，实际上存在 着类似于色谱的两相，一是流动的水相， 另一相是起到固定作用的胶束相，溶质在 两相之间分配(fēnpèi)，由其在胶束中不同 的保留能力而产生不同的保留值。
第五十六页，共91页。
芯片(xīn piàn)自由流电泳
4）样品间的交叉污染(wūrǎn)得以避免
• 举例：双晶片单向阀
•
•
原理图
第三十五页，共91页。
六、进样和样品(yàngpǐn)预处 理技术
第三十六页，共91页。
1、芯片实验室各种进样方式(fāngshì) 一览
第三十七页，共91页。
第三十八页，共91页。
A、简单(jiǎndān)进样
第三十九页，共91页。
B、悬浮(xuánfú)进样
第十页，共91页。
层流提供了在微小空间内控制样品浓度、宽度、温 度等指标的可能性，是微流控芯片(xīn piàn)得以实现强 大功能并且具有宽广应用面的重要原因
第十一页，共91页。
3、传质(chuán zhì)
• 由于(yóuyú)流体在微通道中以层流形式运 动，层与层之间的质量传递主要依靠扩散 ，扩散传质的公式为：
• 减小表面(biǎomiàn)非特异性作用 • 增强表面(biǎomiàn)特异性作用 • 提高表面(biǎomiàn)稳定性
第二十三页，共91页。
3、表面改性的方法(fāngfǎ)分类
第二十四页，共91页。
4、不同(bù tónɡ)材质芯片的改性方 法分类
1）玻璃(bō lí)、石英
动态(dòngtài)静改电性引力
第四十页，共91页。
C、压缩(yā suō)进样
微流控电泳芯片
常多，制作周期短，设计好图形后，经加工 很快可以获得所需的模具。
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异硫氰酸酯荧光素标记的氨基酸电泳图
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15
中国科学院大连化学物理研究所微流控芯片课题组
▪ PDMS-玻璃药物筛选芯片
▪ PDMS-玻璃药物筛选芯片
Page ▪ 16
16
▪ 玻璃-PDMS-玻璃微泵驱动免疫芯片 ▪ PDMS-玻璃细胞研究芯片
5苏波，崔大付，刘长春，等.光纤型微流控电泳芯片的研制 [J].测控技术，2005,12（11）:5-8.
6马亮波，徐溢，梁静，等.微流控芯片电泳电导检测分析分 析尿蛋白[J].分析化学，2011,39（8）：1123-1128.
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20
Page ▪ 6
6
(2)低消耗:微流控分析的试样与试剂消耗已降 低到数微升水平，并随着技术水平的提高， 还有可能进一步减少。这既降低了分析费用 和贵重生物试样的消耗，也减少了环境的污 染。
（3）高通量：具有平行处理分析多个样品的 能力。微流控芯片实验室的 基本特征和最大 优势是多种单元在微小平台上的灵活组合和 大规模集成，高通量是大规模集成的一种形 式。
8
集成化微流控芯片未来的发展趋势
Page ▪ 9
9
PDMS 微流控电泳芯片的制备
在一载玻片上甩一层适当厚 度的SU-8负胶，然后借助 光刻技术制作微流控沟道的 模具，在模具上浇注聚二甲 基硅氧烷（PDMS），脱模 后获得微流控沟道，最后经 过修饰、封装等工序制成 PDMS微流控电泳芯片。
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异硫氰酸酯荧光素标记的氨基酸电泳图
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中国科学院大连化学物理研究所微流控芯片课题组
▪ PDMS-玻璃药物筛选芯片
▪ PDMS-玻璃药物筛选芯片
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▪ 玻璃-PDMS-玻璃微泵驱动免疫芯片 ▪ PDMS-玻璃细胞研究芯片
5苏波，崔大付，刘长春，等.光纤型微流控电泳芯片的研制 [J].测控技术，2005,12（11）:5-8.
6马亮波，徐溢，梁静，等.微流控芯片电泳电导检测分析分 析尿蛋白[J].分析化学，2011,39（8）：1123-1128.
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(2)低消耗:微流控分析的试样与试剂消耗已降 低到数微升水平，并随着技术水平的提高， 还有可能进一步减少。这既降低了分析费用 和贵重生物试样的消耗，也减少了环境的污 染。
（3）高通量：具有平行处理分析多个样品的 能力。微流控芯片实验室的 基本特征和最大 优势是多种单元在微小平台上的灵活组合和 大规模集成，高通量是大规模集成的一种形 式。
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集成化微流控芯片未来的发展趋势
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PDMS 微流控电泳芯片的制备
在一载玻片上甩一层适当厚 度的SU-8负胶，然后借助 光刻技术制作微流控沟道的 模具，在模具上浇注聚二甲 基硅氧烷（PDMS），脱模 后获得微流控沟道，最后经 过修饰、封装等工序制成 PDMS微流控电泳芯片。
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微流控
过滤
过滤是一种用于除去液态样品中颗粒状干扰 物的预处理手段。若以导管模式将液态样品 引入芯片中，仅需在样品源和芯片间加入一 个滤头即可对样品实施过滤预处理操作。若 以储液池模式将样品引入芯片中，则需在芯 片上集成过滤装置。
Sample Filtration,Concentration and Separation Integrated on Microfluidic Devices
液液萃取
液液萃取的目的是将被分析物从一种液体提 取到另一种与之不相容的液体中。实现这一 目的有两个，两相间的充分接触和萃取完成 后两相的完全的分离。在微流控芯片中，通 过两相在微通道内的“反向层流”实现上述 两个条件，从而达到高效的液液萃取。
On-Chip Integration of Sequential Ion-Sensing System Sased on Intermittent Reagent Pumping and Formation of Two-Layer Flow
1.1.2 液滴样品进样
液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种全新的操 纵小体积液体的技术。液滴的形成类似于乳化现象，传 统的乳化是在两互不相容的液体（如油和水）中加入适 量的表面活性剂并强烈搅拌，使油分散在水中，形成乳 化液；在微流控芯片上产生液滴，是将两种互不相容的 液体，以其中一种作为连续相，另一种作为分散相，分 散相以微小体积分散在连续相中，形成液滴。 根据分散相和连续相的不同，分为w/o（水为分散相， 油为连续相），O/W(水为连续相，油为分散相）型。一 般情况下，水相泛指水溶液，油相泛指与水互不相容的 有机溶剂。
固相萃取
固相萃取，可以很容易的将被分析物从复制 基质中提取出来，提高后续分析的可靠性， 同时还可以对样品进行富集，降低微流控芯 片对高灵敏度检测器的依赖。
1.FilmArray微流控芯片解密-1公司产品简介
第一部分：公司产品简介图1.1：BioFire公司LogoBioFire公司的FilmArray微流控芯片是目前已经成功商业化的微流控产品的经典之作，该芯片采用巢式多重PCR分析技术，对同一个血液样品进行一次测试便可以检测多达24种病原体，并且整个检测过程比传统PCR或RT-PCR方式要快得多，只需要大约一个小时的时间，非常适合于传染病的早期快速筛查。
如下图分别是FilmArray测试仪器和芯片实物图。
图1.2：FilmArray测试仪器实物图及各结构说明图1.3：呼吸道感染检测芯片及结构说明（图中液体仅仅为了可视化，实际测试芯片不含有液体部分）目前，在BioFire公司官方网站上已经公布了四种测试芯片，分别是：呼吸道感染检测芯片，血液感染检测芯片，胃肠道感染检测芯片，脑膜炎感染检测芯片。
虽然四种芯片针对的疾病不一样，所需要检测的样品种类也不一样，但是产品外观上基本一致，可以参考图1.3中呼吸道感染检测芯片的外观结构。
1，呼吸道感染检测芯片呼吸道感染检测芯片是BioFire公司最早开发出来的产品，也是目前该公司发展最为成熟的检测芯片。
早期的呼吸道感染检测芯片可以在一个小时之内检测多达20种不同的呼吸道细菌和病毒等病原菌。
目前，该公司已经开发出基于FilmArray2.0检测系统的新型呼吸道感染检测芯片，相比于早期的检测芯片，该新型芯片可以在45分钟之内完成测试，并且比早期芯片更准确，更高效，更快速，检测的病原菌种类也更多（21种）。
如下为该新型呼吸道检测芯片可以检测的细菌和病毒种类：图1.4：新型呼吸道感染检测芯片可以检测的病原菌列表2，血液感染检测芯片血液感染能引发全身炎症反应综合症，并可能发展为重度脓毒症和感染性休克，导致血液感染患者死亡率大大增加。
此外，为了防止出现耐药性，临床医师必须尽早开始有效治疗且避免让患者过度接触广谱抗生素。
因此，实验室快速鉴定病原菌以及耐药机制,对于选择合适疗法上极其关键。
微流控芯片PPT课件
操作程序简述
不同功能的微流控芯片的制作 样品处理 利用不同的方法如微过滤或双向电泳分离细胞、DNA等样品； 生物化学反应 依照微流控芯片的功能类型，在控制温度的微量反应池中进行PCR扩增DNA、酶反应或免疫反应； 结果检测 经芯片杂交后，检测激光激发的荧光信号或酶的显色反应。
芯片实验室应用和发展
信号采集的控制与检测
光学检测法：激光诱导荧光，化学发光和紫外吸收等光学检测器至今仍是主流检测手段。 激光诱导荧光是目前最灵敏的检测方法之一。微流控的主要研究对象核酸、蛋白质、氨基酸等可以通过荧光标记进行检测，因此，激光诱导荧光监测器是一种应用最早，并且至今仍沿用的光学检测器。 其他检测方法还有电化学的检测，质谱检测，光谱检测以及一些基于生物反应器的检测。
separation
buffer
1-3ｈ
Gel electrophoresis
Connector made for PCR application, the complete PCR is done in the chip and connector:
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。
进样及样品前处理
微流控芯片分析系统的尺寸微小，内部进行的是体积在皮升至纳升级的操作，与其联系的外部分析对象或样品储存系统则通常是体积在微升、毫升以上。这种微观系统和宏观系统的衔接决定了微流控芯片系统样品引入的特殊性。
液态样品进样方式取决于其样品源的内置与外置。一般都采用样品源内置的方法，即芯片上有一个储液池来容纳样品源，因其与微通道直接相连，进样时只需要对样品施加压力或电动力即可，进样相对简单；而外置的样品源则需要导管，并要求导管与芯片接口嵌合极佳，一般较难实现。固态样品需进行流体化后才能进样。细胞样品通常采用低压驱动以防止细胞破裂。
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所需样品微量，适合高通量筛选反应和某些样品来源有限 的反应
2）样品无扩散
3）反应条件稳定
除了消除样品分子的扩散之外，水分子的蒸发也因油相的 包围而受到抑制，液滴内的反应条件几乎不受外界影响
4）样品间的交叉污染得以避免
5）混合迅速
液滴在通道中运动时，在液滴内部将以运动方向为 轴，形成两个循环回流。
固相萃取富集
定胰 化蛋
体定 柱化
蛋 白
多孔膜富集 胰 白
胰酶
纳米通道富集 蛋 酶 白
蛋 白
在线衍生
酶
酶
蛋白质衍生 柱后衍生
蛋白质酶解
固定化酶反应器
2）蛋白质分离
芯片电泳
芯片区带电泳分离
蛋
白
质
芯片色谱
分
离
芯片筛分电泳分离
芯片二维分离
3、在离子和小分子研究中的应用
1）离子分离 微流控芯片离子分离分析现阶段多以芯片电泳为 分离手段，以电化学检测作为主要检测方式。
包括电渗控制和微阀控制。
微阀控制
特征：低泄露、低功耗、速度快、线 性范围广、适应面广。
举例：双晶片单向阀
原理图
六、进样和样品预处理技术
1、芯片实验室各种进样方式一览
A、简单进样
B、悬浮进样
C、压缩进样
D、门进样
2、样品预处理
七、微混合和微反应技术
1、微混合
由于一般微流控装置流体状态以层流为主，
微反应器分类
微型生物反应器主要的应用对象有：聚合 酶链反应（PCR）、免疫反应、各类酶反 应及DNA杂交反应等
八、微分离技术
早期的微流控芯片，在某种意义上说就
是一种微分离器件，电泳是芯片微分离中
采用最普遍的一种形式
自由溶液区带芯片电泳
自由溶液区带电泳是在开关通道中直接
利用物质的质荷比差异实现分离的一种电
胶束电动芯片色谱
在含有胶束的缓冲溶液中，实际上存在 着类似于色谱的两相，一是流动的水相， 另一相是起到固定作用的胶束相，溶质在 两相之间分配，由其在胶束中不同的保留 能力而产生不同的保留值。
芯片自由流电泳
自由流电泳是指在样品随缓冲液连续流动的正交 方向加一直流电场，使被分离物质在流动的同时 顺电场方向作电迁移，按电泳倘度大小分离，并 在流体末端被接取的一种技术(图7-22 )。其分离 度取决于流体向下流动的速度和电场的大小。
电渗流测定（可反映表面的电荷情况）
五、微流体驱动与控制技术
1、常见流体驱动技术分类
机械驱动包括：离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱 动。
PDMS气动微泵驱动
常规状态下，阀门敞开 施加动力鼓入空气，薄 膜在气体压力下发生形 变，堵塞通道。撤销压 力，恢复原状。三个阀 依次如图顺序开启闭合 便可驱动流体流动。
十、检测技术
1、微流控芯片对检测器的特殊要求
灵敏度高 响应速度快 体积小
2、激光诱导荧光检测
基本原理
优点：是最灵敏的检测方法之一，其检测 限可达到10-9~10-13mol/L，对于某些高荧 光产率的物质甚至可以达到单分子检测。
缺点：分析物需要具有荧光或含有可通过 衍生反应得到荧光信号的官能团；荧光标 记有可能会造成分析物质生化学活性的改 变，影响结果的可信度
因此微流控的微混合主要依靠扩散
提高层流条件下混合效率的主要原则为：
拉伸或折叠流体以增大流体的接触面积；
利用分散混合设计，通过管路几何交叉设 计将大的液流拆分并重新组合，从而减小 液流厚度，实现更有效混合。
微混合器的分类汇总
2、微反应和微反应器
微反应技术是一种将微结构内在的优势 应用到反应过程的技术，体现这种技术的 设备或器件被称为微反应器。微反应器是 一种单元反应界面尺度为微米量级的微型 反应器。
优势：灵敏度高，选择性好，装置简单， 成本低，可以与微加工技术兼容，具有微 型化和集成化的前景。
劣势：被检测物质需要有电化学活性(安培 检测)，重现性较差。
十一、微流控芯片的应用
1、在核酸研究中的应用
核酸研究的技术如DNA萃取/纯化、PCR扩 增、分子杂交、电泳分离和检测等都可以 在微流控芯片上实现。
介电电泳
电中性颗粒被放置于非均匀电场下时， 会产生诱导极化并与电场相互作用而产生 介电泳动现象
九、液滴技术
1、液滴的形成
水溶液和油同时从不同的微通道中流出， 当通道疏水时，油浸润通道，包裹水溶液 形成油包水（W/O）型液滴；若通道亲水， 过程相反，形成水包油（O/W）型液滴。
2、液滴的优点
1）体积小
2）PDMS
a、本体掺杂：在预聚体中引入特殊性质分子
b、共价偶联：利用等离子体、紫外、臭氧等物理方法完成如下反应
c、聚合诱导接：
d、吸附-交联：
5、表面改性的表征技术
表面红外漫反射吸收光谱（可以快速测量表面化学组
成变化）
原子力显微镜（直接观察表面分子，考察表面欧联的聚合物
分子层状况）
荧光照片（可测试表面连接聚合物涂层对表面蛋白的吸附情况）
2）液滴的融合和分裂
A、液滴融合 两种液滴融合的思路：现在芯片的不同位 置平行的形成不同的液滴，控制好各液滴 生成的速度，在芯片特定的位置汇合，在 表面张力或静电力的作用下，两液滴融合。
B、液滴的分裂
液滴分裂主要依靠通道结构实现
5、液滴的应用
随着液滴技术的发展成熟，对液滴的研 究逐步转向应用，比较成功的例子包括： 蛋白质结晶研究、酶分析、细胞分析、材 料制备和复杂过程模拟等。
图解微流控芯片实验室
---------读书报告
内容提要
绪论 芯片材料与制作技术 表面改性技术 微流体驱动与控制技术 进样与预处理 微混合与微反应 微分离技术 液滴技术 检测技术 应用
核心技术
一、认识微流控芯片实验室
1、什么是微流控芯片实验室
微流控芯片实验室又叫微流控芯片或芯片 实验室。
电渗驱动：优势：构架简单、操作方便、流行扁平、无脉动等。 劣势：易受外加电场强度、通道表面、微流体性质
及传热效率等因素影响，稳定性相对较差。
2、微流体控制
微流体控制是微流控芯片实验室的操作核 心，在微流控芯片实验室所涉及的进样、 混合、反应、分离、检测等过程都是在可 控流体的运动中完成的。微流体控制主要
2、芯片的制作
玻璃等芯片制作的主要步骤包括：涂胶、 曝光、显影、腐蚀和去胶。
高分子聚合物芯片的制作技术主要包括热 压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、 LIGA法和软刻蚀法等。
四、表面改性技术
1、为什么要表面改性
微流控芯片中比表面积大，表面效应显著， 表面重要性被强化。
微流控芯片材质多样，增加了芯片表面的 复杂性。
离子分离模式包括：区带电泳、等速电泳、等速 电泳-区带电泳、离子色谱。
2）手性分子
A、手性拆分 目前在微流控芯片上有所尝试的拆分方法 有：酶法拆分、色谱拆分、电泳法拆分， 其中电泳法是采用最多的一种方法，就拆 分方式而言，以直接法居多。
B、手性合成
微流控芯片进行手性合成的研究处于研究 阶段 ，报道较少但前景光明。
3、质谱检测
优势：能够提供试样组分中生物大分子的 基本结构和定量信息。在涉及蛋白质组学 研究中有难以替代的作用。
劣势：现行仪器体积庞大，价格昂贵，不 符合芯片微型化的特点，只能用于芯片外 检侧;芯片同质潜的接口仍然是发展的重点 与难点
4、电化学检测
电化学检测是通过电极将溶液中的待测 物的化学信号转变为电信号以实现对待测 组分检测的分析方法。微流控芯片电化学 检测可分为安培法、电导法和电势法。
C、手性合成-手性拆分集成
手性合成与手性拆分集成使反应和评估系统 处于同一量级，具有发展高通量的潜力， 目前已报道的集成模式有游离酶水相反应 与区带电泳手性拆分的集成。
4、代谢物
代谢物分析能够帮助人们更好的理解病 变过程及机体内物质的代谢途径，在药物 开发，疾病诊断与预防等有重要的指导意 义。
泳模式，它也是各种电泳分离中最基本的 一种，影响因素相对较少，容易在芯片上 实现。
介质筛分芯片电泳
筛分电泳是利用生物大分子和筛分介质(高 分子溶胶或凝胶)之间的动态交缠作用，把被
分离物质按照分子质量大小分开的一
种技术，它是传统的平板电泳和毛细管电泳 中研究最多，应用最广的一种电泳分离模式
电色谱
基于被分离物荷质比差异的自由溶液区带电泳分 离，对一些强疏水物质不是很有效。这就需要在 电泳过程中引入色谱分配的概念，利用不同组分 分配系数的差异强化分离。芯片电动色谱就是芯 片电泳和液相色谱在某种程度的结合，充分利用 了MEMS技术的高精确度、设计灵活等优势，突 破了某些传统电色谱加工模式的束缚，以电渗驱 动代替压力驱动。芯片电色谱有几种基本模式:开 管电色谱 ,填充电色谱和整体电色谱。
微流控芯片中的芯片分离、反应和细胞培 养等单元技术对表面性质的需求不同。
2、改性目的
减小表面非特异性作用 增强表面特异性作用 提高表面稳定性
3、表面改性的方法分类
4、不同材质芯片的改性方法分类
1）玻璃、石英
动态改性 静电引力
静态改性
硅烷化反应
聚丙烯酰胺
常用于核酸、蛋白质电泳
聚乙烯醇
常用于小分子快速分析
电渗流速计算公式
V=/4
ζ 是zeta电势，ε 是介电常数，Φ 是外电场， μ 是流体粘度
电渗驱动的特点：
流速大小可由外电场线性调节 外加电场电极可以集成在芯片上，从而缩
小了芯片流体驱动系统体积 各种芯片材料都可以诱导电渗流 流体前沿为扁平状
三、芯片材料和芯片制作技术
1、制作材料
常用的芯片材料有单晶硅片、石英、玻璃 和有机聚合物如PMMA、PDMS、PC以及 水凝胶，他们具有良好的生化相容性、光 学性能，其表面具有良好的可修饰性。下 表为常见芯片制作材料的基本性能。
2）样品无扩散
3）反应条件稳定
除了消除样品分子的扩散之外，水分子的蒸发也因油相的 包围而受到抑制，液滴内的反应条件几乎不受外界影响
4）样品间的交叉污染得以避免
5）混合迅速
液滴在通道中运动时，在液滴内部将以运动方向为 轴，形成两个循环回流。
固相萃取富集
定胰 化蛋
体定 柱化
蛋 白
多孔膜富集 胰 白
胰酶
纳米通道富集 蛋 酶 白
蛋 白
在线衍生
酶
酶
蛋白质衍生 柱后衍生
蛋白质酶解
固定化酶反应器
2）蛋白质分离
芯片电泳
芯片区带电泳分离
蛋
白
质
芯片色谱
分
离
芯片筛分电泳分离
芯片二维分离
3、在离子和小分子研究中的应用
1）离子分离 微流控芯片离子分离分析现阶段多以芯片电泳为 分离手段，以电化学检测作为主要检测方式。
包括电渗控制和微阀控制。
微阀控制
特征：低泄露、低功耗、速度快、线 性范围广、适应面广。
举例：双晶片单向阀
原理图
六、进样和样品预处理技术
1、芯片实验室各种进样方式一览
A、简单进样
B、悬浮进样
C、压缩进样
D、门进样
2、样品预处理
七、微混合和微反应技术
1、微混合
由于一般微流控装置流体状态以层流为主，
微反应器分类
微型生物反应器主要的应用对象有：聚合 酶链反应（PCR）、免疫反应、各类酶反 应及DNA杂交反应等
八、微分离技术
早期的微流控芯片，在某种意义上说就
是一种微分离器件，电泳是芯片微分离中
采用最普遍的一种形式
自由溶液区带芯片电泳
自由溶液区带电泳是在开关通道中直接
利用物质的质荷比差异实现分离的一种电
胶束电动芯片色谱
在含有胶束的缓冲溶液中，实际上存在 着类似于色谱的两相，一是流动的水相， 另一相是起到固定作用的胶束相，溶质在 两相之间分配，由其在胶束中不同的保留 能力而产生不同的保留值。
芯片自由流电泳
自由流电泳是指在样品随缓冲液连续流动的正交 方向加一直流电场，使被分离物质在流动的同时 顺电场方向作电迁移，按电泳倘度大小分离，并 在流体末端被接取的一种技术(图7-22 )。其分离 度取决于流体向下流动的速度和电场的大小。
电渗流测定（可反映表面的电荷情况）
五、微流体驱动与控制技术
1、常见流体驱动技术分类
机械驱动包括：离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱 动。
PDMS气动微泵驱动
常规状态下，阀门敞开 施加动力鼓入空气，薄 膜在气体压力下发生形 变，堵塞通道。撤销压 力，恢复原状。三个阀 依次如图顺序开启闭合 便可驱动流体流动。
十、检测技术
1、微流控芯片对检测器的特殊要求
灵敏度高 响应速度快 体积小
2、激光诱导荧光检测
基本原理
优点：是最灵敏的检测方法之一，其检测 限可达到10-9~10-13mol/L，对于某些高荧 光产率的物质甚至可以达到单分子检测。
缺点：分析物需要具有荧光或含有可通过 衍生反应得到荧光信号的官能团；荧光标 记有可能会造成分析物质生化学活性的改 变，影响结果的可信度
因此微流控的微混合主要依靠扩散
提高层流条件下混合效率的主要原则为：
拉伸或折叠流体以增大流体的接触面积；
利用分散混合设计，通过管路几何交叉设 计将大的液流拆分并重新组合，从而减小 液流厚度，实现更有效混合。
微混合器的分类汇总
2、微反应和微反应器
微反应技术是一种将微结构内在的优势 应用到反应过程的技术，体现这种技术的 设备或器件被称为微反应器。微反应器是 一种单元反应界面尺度为微米量级的微型 反应器。
优势：灵敏度高，选择性好，装置简单， 成本低，可以与微加工技术兼容，具有微 型化和集成化的前景。
劣势：被检测物质需要有电化学活性(安培 检测)，重现性较差。
十一、微流控芯片的应用
1、在核酸研究中的应用
核酸研究的技术如DNA萃取/纯化、PCR扩 增、分子杂交、电泳分离和检测等都可以 在微流控芯片上实现。
介电电泳
电中性颗粒被放置于非均匀电场下时， 会产生诱导极化并与电场相互作用而产生 介电泳动现象
九、液滴技术
1、液滴的形成
水溶液和油同时从不同的微通道中流出， 当通道疏水时，油浸润通道，包裹水溶液 形成油包水（W/O）型液滴；若通道亲水， 过程相反，形成水包油（O/W）型液滴。
2、液滴的优点
1）体积小
2）PDMS
a、本体掺杂：在预聚体中引入特殊性质分子
b、共价偶联：利用等离子体、紫外、臭氧等物理方法完成如下反应
c、聚合诱导接：
d、吸附-交联：
5、表面改性的表征技术
表面红外漫反射吸收光谱（可以快速测量表面化学组
成变化）
原子力显微镜（直接观察表面分子，考察表面欧联的聚合物
分子层状况）
荧光照片（可测试表面连接聚合物涂层对表面蛋白的吸附情况）
2）液滴的融合和分裂
A、液滴融合 两种液滴融合的思路：现在芯片的不同位 置平行的形成不同的液滴，控制好各液滴 生成的速度，在芯片特定的位置汇合，在 表面张力或静电力的作用下，两液滴融合。
B、液滴的分裂
液滴分裂主要依靠通道结构实现
5、液滴的应用
随着液滴技术的发展成熟，对液滴的研 究逐步转向应用，比较成功的例子包括： 蛋白质结晶研究、酶分析、细胞分析、材 料制备和复杂过程模拟等。
图解微流控芯片实验室
---------读书报告
内容提要
绪论 芯片材料与制作技术 表面改性技术 微流体驱动与控制技术 进样与预处理 微混合与微反应 微分离技术 液滴技术 检测技术 应用
核心技术
一、认识微流控芯片实验室
1、什么是微流控芯片实验室
微流控芯片实验室又叫微流控芯片或芯片 实验室。
电渗驱动：优势：构架简单、操作方便、流行扁平、无脉动等。 劣势：易受外加电场强度、通道表面、微流体性质
及传热效率等因素影响，稳定性相对较差。
2、微流体控制
微流体控制是微流控芯片实验室的操作核 心，在微流控芯片实验室所涉及的进样、 混合、反应、分离、检测等过程都是在可 控流体的运动中完成的。微流体控制主要
2、芯片的制作
玻璃等芯片制作的主要步骤包括：涂胶、 曝光、显影、腐蚀和去胶。
高分子聚合物芯片的制作技术主要包括热 压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、 LIGA法和软刻蚀法等。
四、表面改性技术
1、为什么要表面改性
微流控芯片中比表面积大，表面效应显著， 表面重要性被强化。
微流控芯片材质多样，增加了芯片表面的 复杂性。
离子分离模式包括：区带电泳、等速电泳、等速 电泳-区带电泳、离子色谱。
2）手性分子
A、手性拆分 目前在微流控芯片上有所尝试的拆分方法 有：酶法拆分、色谱拆分、电泳法拆分， 其中电泳法是采用最多的一种方法，就拆 分方式而言，以直接法居多。
B、手性合成
微流控芯片进行手性合成的研究处于研究 阶段 ，报道较少但前景光明。
3、质谱检测
优势：能够提供试样组分中生物大分子的 基本结构和定量信息。在涉及蛋白质组学 研究中有难以替代的作用。
劣势：现行仪器体积庞大，价格昂贵，不 符合芯片微型化的特点，只能用于芯片外 检侧;芯片同质潜的接口仍然是发展的重点 与难点
4、电化学检测
电化学检测是通过电极将溶液中的待测 物的化学信号转变为电信号以实现对待测 组分检测的分析方法。微流控芯片电化学 检测可分为安培法、电导法和电势法。
C、手性合成-手性拆分集成
手性合成与手性拆分集成使反应和评估系统 处于同一量级，具有发展高通量的潜力， 目前已报道的集成模式有游离酶水相反应 与区带电泳手性拆分的集成。
4、代谢物
代谢物分析能够帮助人们更好的理解病 变过程及机体内物质的代谢途径，在药物 开发，疾病诊断与预防等有重要的指导意 义。
泳模式，它也是各种电泳分离中最基本的 一种，影响因素相对较少，容易在芯片上 实现。
介质筛分芯片电泳
筛分电泳是利用生物大分子和筛分介质(高 分子溶胶或凝胶)之间的动态交缠作用，把被
分离物质按照分子质量大小分开的一
种技术，它是传统的平板电泳和毛细管电泳 中研究最多，应用最广的一种电泳分离模式
电色谱
基于被分离物荷质比差异的自由溶液区带电泳分 离，对一些强疏水物质不是很有效。这就需要在 电泳过程中引入色谱分配的概念，利用不同组分 分配系数的差异强化分离。芯片电动色谱就是芯 片电泳和液相色谱在某种程度的结合，充分利用 了MEMS技术的高精确度、设计灵活等优势，突 破了某些传统电色谱加工模式的束缚，以电渗驱 动代替压力驱动。芯片电色谱有几种基本模式:开 管电色谱 ,填充电色谱和整体电色谱。
微流控芯片中的芯片分离、反应和细胞培 养等单元技术对表面性质的需求不同。
2、改性目的
减小表面非特异性作用 增强表面特异性作用 提高表面稳定性
3、表面改性的方法分类
4、不同材质芯片的改性方法分类
1）玻璃、石英
动态改性 静电引力
静态改性
硅烷化反应
聚丙烯酰胺
常用于核酸、蛋白质电泳
聚乙烯醇
常用于小分子快速分析
电渗流速计算公式
V=/4
ζ 是zeta电势，ε 是介电常数，Φ 是外电场， μ 是流体粘度
电渗驱动的特点：
流速大小可由外电场线性调节 外加电场电极可以集成在芯片上，从而缩
小了芯片流体驱动系统体积 各种芯片材料都可以诱导电渗流 流体前沿为扁平状
三、芯片材料和芯片制作技术
1、制作材料
常用的芯片材料有单晶硅片、石英、玻璃 和有机聚合物如PMMA、PDMS、PC以及 水凝胶，他们具有良好的生化相容性、光 学性能，其表面具有良好的可修饰性。下 表为常见芯片制作材料的基本性能。