微流控芯片技术在环境领域的应用和展望
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微流控芯片技术在环境领域 的应用和展望
2016/10/11
1
微流控技术的定义
Microfluidic
微流体
Microfluidics
微流控技术
Microfluidic Chip
微流控芯片
Fra Baidu bibliotek
Springer出版社将微（纳）流控技术广义定义为：在微（纳）米尺度下的物 质传递、动量传递、热传递，以及在传输中的反应过程的相关技术。 FlowMap-Microfluidics Roadmap for the Life Sciences一书中把微流控技术定 义为：具备在纳升至亚纳升水平上操控流体，或具备利用流体与微结构之 间相互作用所产生的特有效应的装置的加工技术和相关科学。 互联网上百科全书Wikipedia中把微流控技术定义为：在微尺度和介观尺度 上研究流体行为，以及相关系统的设计与应用的，由物理、化学、微加工 与生物技术等学科组成的交叉领域。
2016/10/11
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三 用于水体中有机污染物分析芯片系统
水体中除含有无机污染物外，更大量的是有机污染物，它们以毒性和使 水中溶解氧减少的方式对生态系统产生影响，危害人体健康． 因此有机污染 物的数量是评价水体污染状况的极为重要的指标． 这一类污染物由于其含量 较低，通常需要进行前期的预处理，微流控芯片的优点体现在可以将前期的 预处理以及后期的检测进行集成，并且具有较高的萃取/富集效率。
2004年，美国Business2.0杂志将芯片实验室列为改变未来的七大技术之一 2009年，中国科学家在微流控芯片领域发表的论文数已居世界第二
2016/10/11 3
微流控芯片技 术的特点
效率高
微流控芯片的高效率既来源于微 米级通道中的高传热传质速率， 也直接来源于结构尺寸的縮小。 很多生物领域和环境领域的样品 量非常低，微流控芯片既降低了 分析费用和贵重生物试样的消耗， 减少了环境的污染，也为微量、 痕量物质的高灵敏度检测提供了 极大的空间。 微流控芯片将独立并的多个行通 道集成到一个单元操作系统内， 可以并行处理多个样品。 微流控芯片部件尺寸微小，为多 个部件与功能集成在数平方厘米 的芯片上提供了极大的可能性。
2016/10/11
8
Hossain 和Brennan 利用β-半乳糖苷酶 ( β-galactosidase) 在 重金属离子的抑制 下会失去活性的性 质，配合其他的金 属指示剂，开发出 了一种可以用来检 测多种重金属 的纸芯片( 如左图) ， 显示了良好的灵敏 度。
2016/10/11
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二 用于水体中营养盐测定芯片系统
4
试剂消耗低
高通量
集成性能高
2016/10/11
微流控芯片常用材料
晶体硅
石英和玻璃
2016/10/11
5
高分子聚合物
聚二甲基硅氧烷 PDMS 聚碳酸酯 PC 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET
2016/10/11
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微流控芯片技术在水环境污染的应用
一 用于水体中重金属检测的微流控芯片系统
微流控芯片分析化学实验室
微流控芯片仿真实验室
基础：微流体力学的基础研究
2016/10/11 13
现有技术水平的微流控芯片不仅可以监测并分析水环境 中诸多不同类别的污染物，比如重金属、营养盐、有机污染 物，以及有害微生物等，还可以对微藻数量、ATP 含量等进 行定量的分析。上述指标都可以从不同角度反映出水环境的 生态状况，为进一步的研究提供第一手的数据。 因此，可以 预计的是，微流控芯片将在不远的将来取代当前分析实验室 中的很多设备，并进入生产现场、监测区域等成为主流的污 染监测和生态分析工具，使便携式“个人实验室”成为现实。
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四 用于水体中微生物检测芯片系统
流式细胞术原理的微流 控芯片 免疫分析原理的微流控 芯片 分子杂交原理的微流控 芯片
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微流控芯片技术的展望
微全分析系统
微流控芯片分析化学实验室在其微型、 可控的操作单元上对复杂的体系在系 统层面上进行分析，使“个人实验室” 成为了可能。 微流控芯片仿真实验室是以材料实验室 和细胞实验室为基础，在一个几平方厘 米的芯片上模拟一个活体的行为，研究 活体中整体与局部的关系，验证和发现 生物学中奇特的流动行为。
2016/10/11 2
微流控芯片的发展历史
1990年瑞士Giba-Geigy公司的Manz与Widmer提出微全分析系统，并对微 全分析系统的微小和全面进行了论述
1994年，美国橡树岭国家实验室Ramsey等改进了芯片毛细管电泳的进样 方法，提高了微流控芯片的实用性能
2001年，Lab on a Chip（芯片实验室）杂志创刊，引领着世界范围微流控 芯片研究的发展
Greenwood和Greenway使用光刻法搭配湿法刻蚀 技术，成功研制了一种微流控芯片． 该芯片利 用鲁米诺发光的性质，成功地对硝酸钴进行了测 定，检测最低限度为3 × 10 -11 mol/L 。与此同时， 通过简单的改造之后，该微全分析系统还能成为 检测过氧化氢或者二氧化氮的装置，并可以与信 号传递装置结合起来，成为一种自带无线信号发 射功能的设备。Alves-Segundo 使用发光二极管 和光电二极管，搭配低温共烧陶瓷，制造了一种 基于光度检测的连续流动分析微芯片。
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都柏林城市大学的McGraw 等利用钼酸铵与磷酸盐反应产生特征黄色或黄 绿色这一特点，研制了一种用于水体中磷酸盐监测的微流控芯片系统． 该系统 配有数据的发射装置，可以在目标区域的不同位置分别布置，对该区域的磷酸 盐污染状况进行全方位的实时监测，检测限最低为0.3mg/L。 贾宏新等提出了一种三层杂交结构微流控芯片［玻璃片/聚二甲基硅氧烷 ( PDMS) 膜/PDMS 底片］，在玻璃片上加工微反应通道，用PDMS 加工气体渗 透膜和具有接受通道的PDMS 底片，实现了溶液中NH4+ 反应、生成的氨气扩 散分离、吸收、溴百里酚蓝显色和光度检测在微流控芯片上的集成化。
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微流控技术的定义
Microfluidic
微流体
Microfluidics
微流控技术
Microfluidic Chip
微流控芯片
Fra Baidu bibliotek
Springer出版社将微（纳）流控技术广义定义为：在微（纳）米尺度下的物 质传递、动量传递、热传递，以及在传输中的反应过程的相关技术。 FlowMap-Microfluidics Roadmap for the Life Sciences一书中把微流控技术定 义为：具备在纳升至亚纳升水平上操控流体，或具备利用流体与微结构之 间相互作用所产生的特有效应的装置的加工技术和相关科学。 互联网上百科全书Wikipedia中把微流控技术定义为：在微尺度和介观尺度 上研究流体行为，以及相关系统的设计与应用的，由物理、化学、微加工 与生物技术等学科组成的交叉领域。
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三 用于水体中有机污染物分析芯片系统
水体中除含有无机污染物外，更大量的是有机污染物，它们以毒性和使 水中溶解氧减少的方式对生态系统产生影响，危害人体健康． 因此有机污染 物的数量是评价水体污染状况的极为重要的指标． 这一类污染物由于其含量 较低，通常需要进行前期的预处理，微流控芯片的优点体现在可以将前期的 预处理以及后期的检测进行集成，并且具有较高的萃取/富集效率。
2004年，美国Business2.0杂志将芯片实验室列为改变未来的七大技术之一 2009年，中国科学家在微流控芯片领域发表的论文数已居世界第二
2016/10/11 3
微流控芯片技 术的特点
效率高
微流控芯片的高效率既来源于微 米级通道中的高传热传质速率， 也直接来源于结构尺寸的縮小。 很多生物领域和环境领域的样品 量非常低，微流控芯片既降低了 分析费用和贵重生物试样的消耗， 减少了环境的污染，也为微量、 痕量物质的高灵敏度检测提供了 极大的空间。 微流控芯片将独立并的多个行通 道集成到一个单元操作系统内， 可以并行处理多个样品。 微流控芯片部件尺寸微小，为多 个部件与功能集成在数平方厘米 的芯片上提供了极大的可能性。
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Hossain 和Brennan 利用β-半乳糖苷酶 ( β-galactosidase) 在 重金属离子的抑制 下会失去活性的性 质，配合其他的金 属指示剂，开发出 了一种可以用来检 测多种重金属 的纸芯片( 如左图) ， 显示了良好的灵敏 度。
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二 用于水体中营养盐测定芯片系统
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试剂消耗低
高通量
集成性能高
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微流控芯片常用材料
晶体硅
石英和玻璃
2016/10/11
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高分子聚合物
聚二甲基硅氧烷 PDMS 聚碳酸酯 PC 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET
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微流控芯片技术在水环境污染的应用
一 用于水体中重金属检测的微流控芯片系统
微流控芯片分析化学实验室
微流控芯片仿真实验室
基础：微流体力学的基础研究
2016/10/11 13
现有技术水平的微流控芯片不仅可以监测并分析水环境 中诸多不同类别的污染物，比如重金属、营养盐、有机污染 物，以及有害微生物等，还可以对微藻数量、ATP 含量等进 行定量的分析。上述指标都可以从不同角度反映出水环境的 生态状况，为进一步的研究提供第一手的数据。 因此，可以 预计的是，微流控芯片将在不远的将来取代当前分析实验室 中的很多设备，并进入生产现场、监测区域等成为主流的污 染监测和生态分析工具，使便携式“个人实验室”成为现实。
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四 用于水体中微生物检测芯片系统
流式细胞术原理的微流 控芯片 免疫分析原理的微流控 芯片 分子杂交原理的微流控 芯片
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微流控芯片技术的展望
微全分析系统
微流控芯片分析化学实验室在其微型、 可控的操作单元上对复杂的体系在系 统层面上进行分析，使“个人实验室” 成为了可能。 微流控芯片仿真实验室是以材料实验室 和细胞实验室为基础，在一个几平方厘 米的芯片上模拟一个活体的行为，研究 活体中整体与局部的关系，验证和发现 生物学中奇特的流动行为。
2016/10/11 2
微流控芯片的发展历史
1990年瑞士Giba-Geigy公司的Manz与Widmer提出微全分析系统，并对微 全分析系统的微小和全面进行了论述
1994年，美国橡树岭国家实验室Ramsey等改进了芯片毛细管电泳的进样 方法，提高了微流控芯片的实用性能
2001年，Lab on a Chip（芯片实验室）杂志创刊，引领着世界范围微流控 芯片研究的发展
Greenwood和Greenway使用光刻法搭配湿法刻蚀 技术，成功研制了一种微流控芯片． 该芯片利 用鲁米诺发光的性质，成功地对硝酸钴进行了测 定，检测最低限度为3 × 10 -11 mol/L 。与此同时， 通过简单的改造之后，该微全分析系统还能成为 检测过氧化氢或者二氧化氮的装置，并可以与信 号传递装置结合起来，成为一种自带无线信号发 射功能的设备。Alves-Segundo 使用发光二极管 和光电二极管，搭配低温共烧陶瓷，制造了一种 基于光度检测的连续流动分析微芯片。
2016/10/11
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都柏林城市大学的McGraw 等利用钼酸铵与磷酸盐反应产生特征黄色或黄 绿色这一特点，研制了一种用于水体中磷酸盐监测的微流控芯片系统． 该系统 配有数据的发射装置，可以在目标区域的不同位置分别布置，对该区域的磷酸 盐污染状况进行全方位的实时监测，检测限最低为0.3mg/L。 贾宏新等提出了一种三层杂交结构微流控芯片［玻璃片/聚二甲基硅氧烷 ( PDMS) 膜/PDMS 底片］，在玻璃片上加工微反应通道，用PDMS 加工气体渗 透膜和具有接受通道的PDMS 底片，实现了溶液中NH4+ 反应、生成的氨气扩 散分离、吸收、溴百里酚蓝显色和光度检测在微流控芯片上的集成化。