图解微流控芯片实验室PPT课件
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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
26
c、聚合诱导接：
d、吸附-交联：
27
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）
31
压电微泵驱动
向压电双晶片施加方波信号时,压电双晶片在电场的作用 下发生周期性弯曲变形,进而驱动PDMS泵膜改变腔体的 容积。当压电双晶片带动泵膜向上移动时,泵腔体积增大, 腔内流体的压强减小,使入口阀打开,同时出口阀关闭,流体 在压差的作用下流入泵腔。
32
非机械驱动包括：电渗驱动、热气微泵驱动、光学 捕获微泵
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。
它将生物和化学领域所涉及的基本操作单 元集成在一块几平方厘米的芯片上。操作 单元尺寸在微米量级。
4
如图所示，微流控芯片的基本构成是各 种储液池及联接他们构成体系的微通道网 络。
5
2、微流控芯片实验室的优势：
将多种单元技术在整体可控的微小平台上 灵活组合、规模集成。
大幅缩短样品处理时间。 显著提高分辨率/灵敏度。 大幅降低消耗和成本。
13
14
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
15
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
16
三、芯片材料和芯片制作技术
17
Байду номын сангаас、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。
18
19
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。
22
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
23
3、表面改性的方法分类
24
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 25 常用于小分子快速分析
2）PDMS
a、本体掺杂：在预聚体中引入特殊性质分子
电渗驱动：电渗驱动是当前微流控芯片中应用最广 泛的一种流体驱动技术。
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。
33
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
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。
20
四、表面改性技术
21
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。
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。
包括电渗控制和微阀控制。
34
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
35
六、进样和样品预处理技术
36
1、芯片实验室各种进样方式一览
37
38
A、简单进样
39
B、悬浮进样
40
C、压缩进样
41
D、门进样
42
2、样品预处理
43
七、微混合和微反应技术
电渗流测定（可反映表面的电荷情况）
28
五、微流体驱动与控制技术
29
1、常见流体驱动技术分类
30
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。
6
3、微流控芯片实验室的最终目标：
使实验设备小型化，家庭化，最终实现 检测等仪器的普及化，从根本上改善人类 生存质量。
7
二、微尺度下的流体
8
1、微尺度下流体的特征：
微尺度下流体的最主要特征是层流和电渗
9
2、层流
判断流体流动是层流还是湍流要看雷诺系数Re
惯性力 Re 黏性力
Re小于2000是层流，大于4000是湍流，在微流体 流动过程中，惯性力影响很小，黏性力起主导 ，Re
大约在10-6~10，远小于2000，所以是典型的层 流。
10
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，是微流控芯片得以实现强大功能并且具有宽广应用面的重要原 因
11
3、传质
由于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： 2t=l2/D
图解微流控芯片实验室
---------读书报告
1
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
2
一、认识微流控芯片实验室
3
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。
44
1、微混合
由于一般微流控装置流体状态以层流为主，
因此微流控的微混合主要依靠扩散
45
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。
46
微混合器的分类汇总
47
t为达到稳态的时间，l为传质距离，D为扩散系数
12
4、电渗
电渗是一种流体相对于带点管壁移动的现象，电渗的产生 和偶电层有关。在pH>3的条件下，微通道内壁通常带负电 （表面电离或吸附），于是表面附近的液体中形成了一个 带正电的偶电层（stem层和扩散层），在平行于内壁的外 电场作用下，偶电层中的溶剂化阳离子或质子引起微通道 内流体朝着负极方向运动
26
c、聚合诱导接：
d、吸附-交联：
27
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）
31
压电微泵驱动
向压电双晶片施加方波信号时,压电双晶片在电场的作用 下发生周期性弯曲变形,进而驱动PDMS泵膜改变腔体的 容积。当压电双晶片带动泵膜向上移动时,泵腔体积增大, 腔内流体的压强减小,使入口阀打开,同时出口阀关闭,流体 在压差的作用下流入泵腔。
32
非机械驱动包括：电渗驱动、热气微泵驱动、光学 捕获微泵
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。
它将生物和化学领域所涉及的基本操作单 元集成在一块几平方厘米的芯片上。操作 单元尺寸在微米量级。
4
如图所示，微流控芯片的基本构成是各 种储液池及联接他们构成体系的微通道网 络。
5
2、微流控芯片实验室的优势：
将多种单元技术在整体可控的微小平台上 灵活组合、规模集成。
大幅缩短样品处理时间。 显著提高分辨率/灵敏度。 大幅降低消耗和成本。
13
14
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
15
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
16
三、芯片材料和芯片制作技术
17
Байду номын сангаас、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。
18
19
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。
22
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
23
3、表面改性的方法分类
24
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 25 常用于小分子快速分析
2）PDMS
a、本体掺杂：在预聚体中引入特殊性质分子
电渗驱动：电渗驱动是当前微流控芯片中应用最广 泛的一种流体驱动技术。
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。
33
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
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。
20
四、表面改性技术
21
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。
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。
包括电渗控制和微阀控制。
34
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
35
六、进样和样品预处理技术
36
1、芯片实验室各种进样方式一览
37
38
A、简单进样
39
B、悬浮进样
40
C、压缩进样
41
D、门进样
42
2、样品预处理
43
七、微混合和微反应技术
电渗流测定（可反映表面的电荷情况）
28
五、微流体驱动与控制技术
29
1、常见流体驱动技术分类
30
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。
6
3、微流控芯片实验室的最终目标：
使实验设备小型化，家庭化，最终实现 检测等仪器的普及化，从根本上改善人类 生存质量。
7
二、微尺度下的流体
8
1、微尺度下流体的特征：
微尺度下流体的最主要特征是层流和电渗
9
2、层流
判断流体流动是层流还是湍流要看雷诺系数Re
惯性力 Re 黏性力
Re小于2000是层流，大于4000是湍流，在微流体 流动过程中，惯性力影响很小，黏性力起主导 ，Re
大约在10-6~10，远小于2000，所以是典型的层 流。
10
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，是微流控芯片得以实现强大功能并且具有宽广应用面的重要原 因
11
3、传质
由于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： 2t=l2/D
图解微流控芯片实验室
---------读书报告
1
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
2
一、认识微流控芯片实验室
3
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。
44
1、微混合
由于一般微流控装置流体状态以层流为主，
因此微流控的微混合主要依靠扩散
45
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。
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微混合器的分类汇总
47
t为达到稳态的时间，l为传质距离，D为扩散系数
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4、电渗
电渗是一种流体相对于带点管壁移动的现象，电渗的产生 和偶电层有关。在pH>3的条件下，微通道内壁通常带负电 （表面电离或吸附），于是表面附近的液体中形成了一个 带正电的偶电层（stem层和扩散层），在平行于内壁的外 电场作用下，偶电层中的溶剂化阳离子或质子引起微通道 内流体朝着负极方向运动