微流控技术汇总
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均相反应器
微化学反 应器 微反应器 微生物反 应器
非均相反应器 生物大分子反 应方向
3
2015年4月1日
2、按载体形式分： 1）芯片微反应器 2）毛细管微反应器 [1] 3）特殊形状的特制微反应器
（3）
（1）
4
（2）
2015年4月1日
微反应器设计及制作
微反应器制作材料
• 常用的芯片材料有： 单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物 如PMMA、PDMS、PC以及水凝胶 优点： 良好的生化相容性、光学性能，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。
微流控合成条件选择
指导教师： 选修课程： XX 教授
催化剂制备和表征
汇 报 Hale Waihona Puke Baidu： XXX
学号：s20140500X
2015年4月1日
微流控合成条件选择
微反应器设计及制作
表面改性技术 微流体驱动与控制技术 微混合与微反应技术 液滴技术
2
2015年4月1日
微反应器设计及制作
微反应器的种类
1、按反应类型分：
C、液滴的捕获[5,6]
在没有通电时，液滴会沿着主通道流向下游; 通电时，液滴会 产生极化现象，在介电电泳力的作用下液滴被捕获到微孔中
注意： ITO 铟锡氧化物 In2O3 - SnO2 它们的氧化物 具有半导体特 点,通常用它们 做成膜电极.
28
2015年4月1日
液滴技术 4、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 。
25
2015年4月1日
液滴技术
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。
26
2015年4月1日
液滴技术
B、液滴的分裂 液滴分裂主要依靠通道结构实现
27
2015年4月1日
30
2015年4月1日
恳请诸位批评指正……
11
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
2、非机械驱动包括： 电渗驱动、热气微泵驱动、光学捕获微泵 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。
22
2015年4月1日
液滴技术
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。
23
2015年4月1日
液滴技术
3、液滴的操控技术
1）反应物的引入 A、直接进样 当反应比较简单时，可用注射泵直接将反应物包入液 滴。
24
2015年4月1日
液滴技术
B、毛细管进样 高通量筛选需不断改变液滴的组成和浓度，为实现此目标 ，可将不同的待测样品预先吸入毛细管中，形成一系列体 积较大的液滴，然后将该毛细管与微流控芯片连接在注射 泵的推动下与反应物形成小液滴并开始反应。
14
2015年4月1日
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，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。
29
2015年4月1日
参考文献
[1]张东堂,程昌,汪夏燕,夏定国. 微流控法合成石墨烯负载的PtNi燃料电池阴极催化剂及其性 能[J]. 过程工程学报,2013,04:698-702. [2]游炜臻. 玻璃基微流控芯片电渗泵[D].厦门大学,2009. [3]朱丽,侯丽雅,章维一. 微混合器研究进展[J]. 微纳电子技术,2005,04:164-171+199. [4]陈九生,蒋稼欢. 微流控液滴技术:微液滴生成与操控[J]. 分析化学,2012,08:1293-1300. [5] Li C M,Wang W,Yang C． Lab Chip,2009,9( 11) : 1504 ～ 1506 [6] Li C M,Wang W,Yang C,Cui X Q,Bao Q L． Microfluidics and Nanofluidics,2010,9( 6) : 1175 ～ 1183
• 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。
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
8
2015年4月1日
表面改性技术 表面改性的方法分类
15
2015年4月1日
微混合和微反应技术
微混合器的分类汇总[3]
并行叠片 被动式 串联叠片
混沌对流
液滴 磁力搅拌型
微混合器
主动式
声场促进型
电场促进型 其他类型
16
2015年4月1日
微混合和微反应技术
17
2015年4月1日
液滴技术
一种在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作 用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴的微纳 技术。它是近年来发展起来的一种全新的操纵微小液体体积的技 术[3]。主要有气-液相液滴和液-液相液滴两种。气-液相液滴由于 容易在微通道中挥发和造成交叉污染而限制了其应用。液-液相液 滴根据连续相和分散相的不同又分为水包油( O/W) ，油包水 ( W/O) ，油包水包油( O/W/O) 以及水包油包水( W/O/W) 等，可以 克服液滴挥发、交叉污染等缺点，因而是微流控液滴技术发展的 侧重所在。
12
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
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。微流体控制主要包括电 渗控制和微阀控制。
13
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
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
18
2015年4月1日
液滴技术
水动力法
水动力法
T型通道法
微液滴生成
气动力法 光控法
电动法
液滴技术
微液滴裂分 微液滴融合 微液滴操控 混合 微液滴分选 微液滴捕获
19
流动聚焦法
共流聚焦法
参考文献[4]
2015年4月1日
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。
20
2015年4月1日
液滴技术
2、液滴的优点
1）体积小 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
21
2015年4月1日
液滴技术
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
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术 1、机械驱动包括：
离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱动。 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。
5
2015年4月1日
微反应器设计及制作
6
2015年4月1日
微反应器设计及制作
芯片制作
• 玻璃等芯片制作的主要步骤包括： 涂胶、曝光、显影、腐蚀、去胶、键合。
• 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。
7
2015年4月1日
表面改性技术
为什么要表面改性
硅烷化
表面改性 方法
静态改性 动态改性
聚合诱导 接枝
本体掺杂
共价偶联
9
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
常见流体驱动技术分类[2]
流动驱动技术
机械力驱动
（系统自身机械部件的运动来驱 动流体）
非机械力驱动
（系统本身没有活动的机械 部件）
气动 微泵
离心 力驱 动
压电 微泵
10
电渗 驱动
热气 驱动
光学捕 获驱动
微化学反 应器 微反应器 微生物反 应器
非均相反应器 生物大分子反 应方向
3
2015年4月1日
2、按载体形式分： 1）芯片微反应器 2）毛细管微反应器 [1] 3）特殊形状的特制微反应器
（3）
（1）
4
（2）
2015年4月1日
微反应器设计及制作
微反应器制作材料
• 常用的芯片材料有： 单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物 如PMMA、PDMS、PC以及水凝胶 优点： 良好的生化相容性、光学性能，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。
微流控合成条件选择
指导教师： 选修课程： XX 教授
催化剂制备和表征
汇 报 Hale Waihona Puke Baidu： XXX
学号：s20140500X
2015年4月1日
微流控合成条件选择
微反应器设计及制作
表面改性技术 微流体驱动与控制技术 微混合与微反应技术 液滴技术
2
2015年4月1日
微反应器设计及制作
微反应器的种类
1、按反应类型分：
C、液滴的捕获[5,6]
在没有通电时，液滴会沿着主通道流向下游; 通电时，液滴会 产生极化现象，在介电电泳力的作用下液滴被捕获到微孔中
注意： ITO 铟锡氧化物 In2O3 - SnO2 它们的氧化物 具有半导体特 点,通常用它们 做成膜电极.
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2015年4月1日
液滴技术 4、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 。
25
2015年4月1日
液滴技术
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。
26
2015年4月1日
液滴技术
B、液滴的分裂 液滴分裂主要依靠通道结构实现
27
2015年4月1日
30
2015年4月1日
恳请诸位批评指正……
11
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
2、非机械驱动包括： 电渗驱动、热气微泵驱动、光学捕获微泵 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。
22
2015年4月1日
液滴技术
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。
23
2015年4月1日
液滴技术
3、液滴的操控技术
1）反应物的引入 A、直接进样 当反应比较简单时，可用注射泵直接将反应物包入液 滴。
24
2015年4月1日
液滴技术
B、毛细管进样 高通量筛选需不断改变液滴的组成和浓度，为实现此目标 ，可将不同的待测样品预先吸入毛细管中，形成一系列体 积较大的液滴，然后将该毛细管与微流控芯片连接在注射 泵的推动下与反应物形成小液滴并开始反应。
14
2015年4月1日
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，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。
29
2015年4月1日
参考文献
[1]张东堂,程昌,汪夏燕,夏定国. 微流控法合成石墨烯负载的PtNi燃料电池阴极催化剂及其性 能[J]. 过程工程学报,2013,04:698-702. [2]游炜臻. 玻璃基微流控芯片电渗泵[D].厦门大学,2009. [3]朱丽,侯丽雅,章维一. 微混合器研究进展[J]. 微纳电子技术,2005,04:164-171+199. [4]陈九生,蒋稼欢. 微流控液滴技术:微液滴生成与操控[J]. 分析化学,2012,08:1293-1300. [5] Li C M,Wang W,Yang C． Lab Chip,2009,9( 11) : 1504 ～ 1506 [6] Li C M,Wang W,Yang C,Cui X Q,Bao Q L． Microfluidics and Nanofluidics,2010,9( 6) : 1175 ～ 1183
• 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。
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
8
2015年4月1日
表面改性技术 表面改性的方法分类
15
2015年4月1日
微混合和微反应技术
微混合器的分类汇总[3]
并行叠片 被动式 串联叠片
混沌对流
液滴 磁力搅拌型
微混合器
主动式
声场促进型
电场促进型 其他类型
16
2015年4月1日
微混合和微反应技术
17
2015年4月1日
液滴技术
一种在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作 用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴的微纳 技术。它是近年来发展起来的一种全新的操纵微小液体体积的技 术[3]。主要有气-液相液滴和液-液相液滴两种。气-液相液滴由于 容易在微通道中挥发和造成交叉污染而限制了其应用。液-液相液 滴根据连续相和分散相的不同又分为水包油( O/W) ，油包水 ( W/O) ，油包水包油( O/W/O) 以及水包油包水( W/O/W) 等，可以 克服液滴挥发、交叉污染等缺点，因而是微流控液滴技术发展的 侧重所在。
12
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
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。微流体控制主要包括电 渗控制和微阀控制。
13
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
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
18
2015年4月1日
液滴技术
水动力法
水动力法
T型通道法
微液滴生成
气动力法 光控法
电动法
液滴技术
微液滴裂分 微液滴融合 微液滴操控 混合 微液滴分选 微液滴捕获
19
流动聚焦法
共流聚焦法
参考文献[4]
2015年4月1日
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。
20
2015年4月1日
液滴技术
2、液滴的优点
1）体积小 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
21
2015年4月1日
液滴技术
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
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术 1、机械驱动包括：
离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱动。 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。
5
2015年4月1日
微反应器设计及制作
6
2015年4月1日
微反应器设计及制作
芯片制作
• 玻璃等芯片制作的主要步骤包括： 涂胶、曝光、显影、腐蚀、去胶、键合。
• 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。
7
2015年4月1日
表面改性技术
为什么要表面改性
硅烷化
表面改性 方法
静态改性 动态改性
聚合诱导 接枝
本体掺杂
共价偶联
9
2015年4月1日
微流体驱动与控制技术
常见流体驱动技术分类[2]
流动驱动技术
机械力驱动
（系统自身机械部件的运动来驱 动流体）
非机械力驱动
（系统本身没有活动的机械 部件）
气动 微泵
离心 力驱 动
压电 微泵
10
电渗 驱动
热气 驱动
光学捕 获驱动