微流控芯片PPT课件

微流体的控制与驱动
• 微流控芯片是通过微细加工技术将微管道，微泵，微阀， 微储液器，微电极，微检测元件和连接器等功能元件像集 成电路一样，使它们集成在芯片材料（基片）上的微全分 析系统。面积一般约为几平方厘米。微流体的可控性是微 流控芯片区别与点阵式芯片的最本质特征，也是其被称为 “主动式”芯片的原因。 • 微流体控制是微流控芯片实验室的操作核心，涉及的进样， 混合，反应，分离等过程无一不是在可控流体的运动中完 成，阀则是流体控制的核心部分。基本的微流控技术有驱 动（微泵）控制，微阀控制，芯片微通道构型控制，通道 表面性质控制等，微流体的控制与驱动以电渗控制和微阀 操作控制技术为主，微系统的层流效应与分子扩散效应也 起着十分重要的作用。
微流控芯片制备
• 热压法： • 将聚合物载体调至与模具相对应的位置后， 移入加热装置中，温度升高是聚合物发生玻 璃化，随之在两者之间施压，降温，撤压， 脱模操作，微通道结构便呈现在载体上，接 着进行盖片与载体的封接
• 蚀刻是在光刻过的基片上可通过湿刻（wet etching）和干刻（dry etching）等方法将阻挡层 上的平面二维图形加工成具有一定深度的立体结 构。选用适当的蚀刻剂，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。 • 复杂的微结构可通过多次重复薄膜沉积－光刻－ 蚀刻这三个工序来完成。 • 微流控基片通过预处理，涂胶，前烘，曝光，显 影及坚膜，去胶等步骤后，材料上呈现所需要的 图形，即通道网络。
微流控芯片实验室(lab-on-a-chip)
• 又称微全分析系统(micro total analytical system, μTAS)或微流控芯片(microfluidic chips)，原型是 20世纪90年代初开展的芯片毛细管电泳，是21世 纪最为重要的前沿技术之一 • 采用微电子工业和半导体制造业中的wk.baidu.com些精细加工 工艺，在硅片、玻片和塑料等表面经过必要的化学 处理后，加工出微细（微米尺寸）结构，制作成一 块几平方厘米的芯片，化学或者生物化学的实验过 程可微缩到该芯片上进行，用于生物样品分离、反 应、分析，是一种新型的生物芯片。 • 样品用量极微少，分析速度很快，得到的信息量可 以比常规实验室多几个数量级，它不仅可用于分析， 生化反应，而且还可用于细胞培养，在临床诊断， 药物筛选和生命科学的其他领域都有广泛应用。
• 1998年，美国Nanogen公司的Cheng等人在Nature的 Biotechnology杂志上发表了关于芯片实验室的论文。他 们通过芯片组合将样品制备，生化反应和结果检测三个部 分的工作依次完成，这是世界上第一个严格意义上的微型 全分析系统操作。 • 通过该系统将大肠杆菌从人的血细胞和大肠杆菌混合液中 分离出来，富集后在芯片上进行裂解细菌，释放出核酸物 质，再进行杂交检测。 • 原始样品进入阵列后，微电极上施加特定频率的交流电信 号，所需的大肠杆菌细胞受到正向介电电泳力，被吸附在 微电极周围区域，而人的血细胞受到负向介电电泳力被推 离微电极区域，即悬浮在溶液中。在流动相的清洗作用下 便可除去人的血细胞，留下所需的大肠杆菌细胞。然后， 在微电极上施加高压脉冲电信号，使得吸附在微电极周围 区域的大肠杆菌细胞破裂，释放质粒DNA，基因组DNA和 RNA等核酸物质，从而实现从原始样品到核酸的样品制备 过程。生化反应和结果检测也在微电极阵列上完成。单个 微电极上可以固定不同的探针，通过微电极的选通或是关 闭，以捕获和检测相对应的核酸物质。
微流控芯片
微流控芯片实验室
• 把各种基本操作单元(细胞培养、分选、裂解, 样 品制备、反应、分离、检测等) 集成到一块几平 方厘米的芯片上; • 由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统; • 取代常规生物或化学实验室的各种功能。 • 微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种 单元技术在微小平台上的灵活组合和规模集成。
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。
盖板与微流控芯片基片的封接
• 基片和盖板封接后形成封闭的小池，可用来储存 试剂或安装电极。试剂必须要通过芯片上的小孔 才能进入通道网络，所以通过微加工技术所制得 的具有不同结构和功能单元的微流控芯片基片， 在与盖板封接之前必须在微通道末端打一小孔， 组装成微流控成品才能使用。小孔可钻在基片上， 也可钻在盖板上。 • 玻璃芯片的打孔方法包括金刚石打孔法，超声波 打孔法，和激光打孔法。打孔后一定要将芯片制 作和打孔过程中所残留的小颗粒、有机物和金属 物等清除干净，包括化学清洗，提高芯片表面平 整度，以保证封接过程顺利进行。
微流控芯片的基本加工
• 光刻和蚀刻技术，用光胶、掩膜、和紫外光进行微 制造，由薄膜沉积，光刻和蚀刻三个工序组成。 • 光刻前首先要在基片表面覆盖一层薄膜，薄膜的厚 度为数埃到几十微米，称为薄膜沉积。然后在薄膜 表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光胶，将掩膜上微 流控芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶 层的工艺过程称为光刻。 • 光刻的质量则取决于光抗蚀剂（有正负之分）和光 刻掩膜版的质量。掩膜的基本功能是基片受到光束 照射（如紫外光）时，在图形区和非图形区产生不 同的光吸收和透过能力。
• 微流控芯片对单个细胞及胞内的微量物质的分析与检测： 在同一芯片上集成细胞培养、运输、清洗、破碎、样品纯 化和电泳分离等操作单元。 • 构建不同尺度且相对封闭的二维或三维网络结构，避免外 界的污染。芯片材料多采用聚二甲基硅氧烷PDMS，具有 良好的生物相容性，对气体也有一定的通透性，有利于细 胞培养中氧气和二氧化碳的交换。培养多采用灌流式，将 细胞悬液注入微培养室，待细胞贴壁后，将培养液连续灌 入培养室，即时更新营养物质。利用微流控芯片进行细胞 培养时，要最大限度地降低流体剪切力对细胞状态的影响。 • 利用微流控芯片能实现对细胞的分选，细胞裂解，从而对 细胞分化增殖状态，细胞应激反应，细胞膜功能，离子通 道，细胞间相互作用等多方面进行研究。
• 电渗控制是指在电场作用下，微通道中的液体沿通道内壁 作定向移动的现象。影响电渗流的因素包括通道表面的组 成，缓冲液性质，外加电场强度，温度等，通过对这些影 响因素的调节，改变通道内壁表面的电荷性质和密度，调 节微通道网络中不同节点的电压值，就可控制电渗流即微 流体的迁移速度和运行方向，完成较为复杂的混和，反应 和分离等操作。 • Baker等报道利用聚合高分子电解质涂层，进行聚苯乙烯 和丙烯酸为基质的微芯片通道内表面的涂层改性，从而控 制微系统中液流的流动方向，甚至可以在一个通道内实现 两个流向相反的液流的同时操作。
• 凡是能控制微通道闭合和开启状态的部件，并具有低泄漏， 低功耗，响应快，线性操作等性能，均能作为微流控芯片 中的微阀。 • 微反应器是一种单元反应界面为微米级的微型化学反应系 统，随着微反应器线性尺度的减小，对化学反应非常重要 的浓度，压力，密度，温度等梯度很快得到增加，从而使 混合和反应时间缩短到毫秒级以下。 • 生物样品分析如DNA杂交，酶反应，蛋白折叠等均涉及到 样品的快速均匀混合，反应物的混合程度直接影响着反应 的速率和产物的得率；微通道中通道较短，体积较小，反 应时间很短，反应相对难以完成，所以快速均匀混合显得 尤其重要，因此微混合器也就成为微流控集成设计的重要 组成部分。
• 研究药物诱导肿瘤细胞凋亡及细胞 凋亡相关的细胞膜功能的变化：利 用芯片通道内的层流混合和分流， 结合芯片浓度梯度生成器，将药物 浓度生成、细胞培养，细胞刺激， 细胞标记及细胞响应的检测过程集 中到芯片上，对不同浓度的阿霉素 诱导肝癌细胞HepG2的凋亡过程进 行监测。 • 首先将HepG2细胞导入芯片上的培 养单元，细胞贴壁后，加入药物溶 液作用一定时间，再加入荧光标记 试剂进行细胞标记，然后加入冲洗 液进行细胞标记后洗涤，最后置于 显微镜下检测。
0.3 % MC with EtBr
Buffer
Analysis
detection
Sample Separation of x174-Hae Ⅲ Digest
Gel electrophoresis
1-3ｈ Capillary electrophoresis
sample
separation capillary
detection
buffer
High voltage
buffer
10-30 min
Microchip electrophoresis
1-3 min Multi-channel microchip electrophoresis
1-3 min/ 12 samples
• Connector made for PCR application, the complete PCR is done in the chip and connector:
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。
• 用于RNA病毒的检测芯片：温控单元和温度传感部件均 置于反应室中，由铂金制成，不同的温控分别完成逆转 录和PCR；而控制单元则由微阀和微泵组成，以控制流 体运输。利用该装置成功检测了II型登革热病毒和肠道 病毒EV71。
RT-PCR 芯片实验室示意图。 － 摘 自 Nucleic Acids Research, 2005, Vol. 33, No. 18 e156
微流控分析芯片实验室的结构特点
• 芯片实验室由进样系统、样品过滤和抽提 机械、流体系统、阀系统、电泳等分离系 统以及检测系统等部分组成，大体可分为 三个部分：不同功能的微流控芯片、芯片 微流体运行控制装置及信号采集的控制与 检测装置。
提高分辨率
--梯度洗脱技术
Sample waste
1.0% MC without EtBr
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。
芯片实验室应用和发展
• 核酸的扩增，分离及测序仍是微流控芯片 应用的主要领域。最早的关于核酸的应用 是在微流控芯片上实现DNA酶解和限制性 片断电泳，后来又发展了集成细胞或细菌 裂解，PCR扩增和电泳分离的微流控芯片 检测。在PCR技术上，PCR体系的反应体 积也从微升级降到纳升级，极大地缩短了 反应时间；
• 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。
微流控芯片的制作
• 加工技术起源于微电子工业微机电加工技术，即集成电路 芯片制作的光刻和蚀刻技术，微管道宽度和深度为微米级， 比集成电路芯片的大，但加工精度要求则相对较低。 • 基片材料应具有良好的电绝缘性、散热性、光学性能和可 修饰性，可产生电渗流，能固载生物大分子，对检测信号 干扰小或无干扰；与芯片实验室的工作介质之间要有良好 的化学和生物相容性，不发生反应。基片材料从硅片发展 到玻璃，石英，有机聚合物等。 • 微米尺寸结构，要求在制备过程中必须对环境进行严格认 真的控制，包括空气湿度，空气温度，空气及制备过程中 所使用的各种介质中的颗粒密度，要求在洁净室中完成。