图解微流控芯片实验室PPT课件
合集下载
《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(课堂PPT)
32
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。
33
Chip-Based Solid-Phase Extraction Pretreatment for Direct Electrospray Mass Spectrometry Analysis Using an Array of
43
色谱
色谱法利用不同物质在不同相态的选择性分 配，以固定相对流动相中的混合物进行洗脱， 混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定 相移动，最终达到分离的效果。
44
Fabrication of Fritless Chromatographic Microchips Packed with Conventional Reversed-Phase Silica Particles
15
16
多通道辅助进样
多通道辅助进样指的是通过设置多条辅助通
道，后经样品源向芯片处理通道内输入样 品区带。
典型的多通道辅助进样方法有双十字静压力
电动进样，双十字电动进样，多T电动进样 法等。
17
18
19
激光辅助进样
若样品带有荧光且采用荧光法检测，可不设 置辅助通道，而利用强激光对样品的漂白作 用直接在分离通道内形成样品区带。这种方 法实质上是一种“门”进样， “门”为强 激光束。大功率的激光束被分光器分为能量 不同的两束，能量大的作为“门”光速被聚 集到通道上游靠近样品池处，能量小的光束 被聚集到通道下游作为检测光束。
1.2 气、固样品进样
3
1.1 液态样品进样
芯片进样的主流是液态样品进样，实际中主要有三种形式：区带样品进样、液滴样 品进样、连续样品进样。
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。
33
Chip-Based Solid-Phase Extraction Pretreatment for Direct Electrospray Mass Spectrometry Analysis Using an Array of
43
色谱
色谱法利用不同物质在不同相态的选择性分 配，以固定相对流动相中的混合物进行洗脱， 混合物中不同的物质会以不同的速度沿固定 相移动，最终达到分离的效果。
44
Fabrication of Fritless Chromatographic Microchips Packed with Conventional Reversed-Phase Silica Particles
15
16
多通道辅助进样
多通道辅助进样指的是通过设置多条辅助通
道，后经样品源向芯片处理通道内输入样 品区带。
典型的多通道辅助进样方法有双十字静压力
电动进样，双十字电动进样，多T电动进样 法等。
17
18
19
激光辅助进样
若样品带有荧光且采用荧光法检测，可不设 置辅助通道，而利用强激光对样品的漂白作 用直接在分离通道内形成样品区带。这种方 法实质上是一种“门”进样， “门”为强 激光束。大功率的激光束被分光器分为能量 不同的两束，能量大的作为“门”光速被聚 集到通道上游靠近样品池处，能量小的光束 被聚集到通道下游作为检测光束。
1.2 气、固样品进样
3
1.1 液态样品进样
芯片进样的主流是液态样品进样，实际中主要有三种形式：区带样品进样、液滴样 品进样、连续样品进样。
微流控芯片PPT课件
绝缘性以避免被高压击穿。散热性能好的材料有利于焦耳
热的散发。随着微通道和微结构的尺寸下降，焦耳热散发
能力随之增加，因此有机聚合物的导热能力在微尺度时重
要性也降低。芯片中的化学反应需要在高温下进行时，就
必须考虑芯片材料的耐热性，如PCR扩增用微流控芯片的
材料要能承受DNA片段变性时所需的95℃高温。
2021
微流控芯片相关制备技术
孙
珊
2012.05.08
2021
1
芯片是微流控芯片实验室的核心， 微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺 寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯 片制备的全过程，体会芯片设计的重要 性，是微流控芯片研究工作的基础。未 来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片 设计和制造的竞争。
2021
2
Contents
2021
10
在所采用的分析条件下材料应是惰性的
有机聚合物能溶于某些有机溶剂中，例如聚甲基丙烯 酸甲酯（PMMA）的微结构在乙腈中会发生溶胀、塌陷甚 至堵塞等现象，而它对高浓度的甲醇则是惰性的。因此选 择聚合物材料时要考虑芯片材料和可能使用的有机溶剂间 的相容性。
材料应有良好电绝缘性和热性能
微芯片在分析时如用到电泳分离，材料应有良好的电
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.
微流控芯片精品PPT
氧化和湿氧氧化。水汽氧化的氧化剂是水蒸气，干氧氧 化的氧化剂是氧气，湿氧氧化的氧化剂则介于两者之间， 是水蒸气和氧气的混合物。
化学反应方程式分别为：
Si+2H2O→SiO2+2H2 水蒸气氧化
Si+O2→SiO2
干氧氧化
化学气相沉积
化学气相沉积是气态反应物在反应器中通过特定的 化学反应，使反应产物沉积在加热基片上镀膜过程的总 称。
光刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。
光胶层 薄膜
光刻蚀的基本工序
薄膜沉积：光刻前先在基片表面覆盖一 一层薄膜，薄膜的厚度为数Å到 几十微米，这一工艺过程叫薄膜沉积。 光刻：在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光 胶。将光刻掩模上微流控芯片设计图案通过曝光 成像的原理转移到光胶层上的工艺过程称为光刻。 刻蚀：是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜 上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺。 选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材 料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所 需的微结构。
微流控芯片相关制备技术
孙
珊
2012.05.08
芯片是微流控芯片实验室的核心， 微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺 寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯 片制备的全过程，体会芯片设计的重要 性，是微流控芯片研究工作的基础。未 来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片 设计和制造的竞争。
Contents
1
微流控分析芯片材料
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；
化学反应方程式分别为：
Si+2H2O→SiO2+2H2 水蒸气氧化
Si+O2→SiO2
干氧氧化
化学气相沉积
化学气相沉积是气态反应物在反应器中通过特定的 化学反应，使反应产物沉积在加热基片上镀膜过程的总 称。
光刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。
光胶层 薄膜
光刻蚀的基本工序
薄膜沉积：光刻前先在基片表面覆盖一 一层薄膜，薄膜的厚度为数Å到 几十微米，这一工艺过程叫薄膜沉积。 光刻：在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光 胶。将光刻掩模上微流控芯片设计图案通过曝光 成像的原理转移到光胶层上的工艺过程称为光刻。 刻蚀：是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜 上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺。 选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材 料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所 需的微结构。
微流控芯片相关制备技术
孙
珊
2012.05.08
芯片是微流控芯片实验室的核心， 微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺 寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯 片制备的全过程，体会芯片设计的重要 性，是微流控芯片研究工作的基础。未 来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片 设计和制造的竞争。
Contents
1
微流控分析芯片材料
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；
一张图看懂微流控芯片产业ppt课件
精选课件
14
08 微流控芯片相关企业
国内企业
目前，国内也涌现了大量初创微流控企业，主要集中分布在北上深及其周边地区，企业类型 分为芯片设计制造、分子诊断、细胞检测、免疫诊断、生化检测以及综合性企业，其中上市 公司也有近十家，但是国内微流控企业真正商业化的产品还屈指可数，与国外企业在微流控 产品商业化上仍有较大差距。
精选课件
PDMS芯片
玻璃芯片
8
07 微流控芯片的应用
历经二十多年的研究与发展，如今微流控芯片的含义已越来越丰富，其应用领域也从分析化
学平台扩展至医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂
的检测、微化工等众多新领域。
分子诊断
医学研究
药物合成
蛋白质晶型筛选
微流控芯片
3D打印
9
4
精选课件
05 微流控芯片的分类
按应用领域
1.环境分析与监测类芯片
空气质量检测芯片
水质实时监测芯片
2.细胞培养与研究类芯片
重金属监测类芯片
有毒有害化合物类
细胞层受创愈合研究芯片
精选课件
细胞相互作用研究
流式细胞计数芯片
细胞常规培养芯片
5
05 微流控芯片的分类
按应用领域
3.化学分析类微流控芯片
芯片毛细管电泳类
微化工
传统化工过程中的“三传一反”在微尺度下可得到强化，基于微流控技术发展起来的微化工 ，可实现化工过程“更好”、“更快”、“更安全环保”、“更经济”的优势，有望解决传 统化工存在的设备投资大、运行和维护成本高、过程能耗、安全系数高等问题。
“更好”
“更快”
高收率 更好的选择性
高时空收率 高生产能力
14
08 微流控芯片相关企业
国内企业
目前，国内也涌现了大量初创微流控企业，主要集中分布在北上深及其周边地区，企业类型 分为芯片设计制造、分子诊断、细胞检测、免疫诊断、生化检测以及综合性企业，其中上市 公司也有近十家，但是国内微流控企业真正商业化的产品还屈指可数，与国外企业在微流控 产品商业化上仍有较大差距。
精选课件
PDMS芯片
玻璃芯片
8
07 微流控芯片的应用
历经二十多年的研究与发展，如今微流控芯片的含义已越来越丰富，其应用领域也从分析化
学平台扩展至医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂
的检测、微化工等众多新领域。
分子诊断
医学研究
药物合成
蛋白质晶型筛选
微流控芯片
3D打印
9
4
精选课件
05 微流控芯片的分类
按应用领域
1.环境分析与监测类芯片
空气质量检测芯片
水质实时监测芯片
2.细胞培养与研究类芯片
重金属监测类芯片
有毒有害化合物类
细胞层受创愈合研究芯片
精选课件
细胞相互作用研究
流式细胞计数芯片
细胞常规培养芯片
5
05 微流控芯片的分类
按应用领域
3.化学分析类微流控芯片
芯片毛细管电泳类
微化工
传统化工过程中的“三传一反”在微尺度下可得到强化，基于微流控技术发展起来的微化工 ，可实现化工过程“更好”、“更快”、“更安全环保”、“更经济”的优势，有望解决传 统化工存在的设备投资大、运行和维护成本高、过程能耗、安全系数高等问题。
“更好”
“更快”
高收率 更好的选择性
高时空收率 高生产能力
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。
图解微流控芯片实验室
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。
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
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。
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）
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
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。
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
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。
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
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。
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）
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
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。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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
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。
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
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
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。
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） 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
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。
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
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
17
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。
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。
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
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。
---------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。
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
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。
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
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
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。
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） 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
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。
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
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
17
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。
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。
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
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。