微流控芯片&微流控系统在食品安全方面的应用

Part 2:原理简析
材料及光刻、蚀刻技术：
• 微流控分析芯片的材料：
用于制作微流控分析芯片的材料有单晶 硅、无定形硅、玱璃、石英、金属和有 机聚合物，如环氧树脂、聚甲基丙烯酸 甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚二甲 基硅氧烷(PDMS)等。
• 光刻和蚀刻技术：
微细加工技术是微流控分析系统发展的 前提条件。微流控分析芯片上微通道的 制作，起源于制作半导体及集成芯片所 广泛使用的光刻(lithography)和蚀刻技 术(etching)。它是用光胶、掩模和紫外 光进行微制造，工艺成熟，已广泛地用 于硅，玱璃和石英基片上制作微结构。
微流控芯片&微流控系统
在食品安全方面的应用
Group One Presentation：徐明辉 PPT Maker:刘磊 Data:王轲 陈雅琪
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• 仪器介绍 • 原理简析 • 重要应用
Part 1 :仪器介绍
综述：
• 微流控芯片技术是把生物、化学、医 学分析过程的样品制备、反应、分离、 检测等基本操作单元集成到一块微米 尺度的芯片上，自动完成分析全过程。
Part 2:原理简析
• 主要依托学科：分析化学、MEMS（微机电系统） • 结构特征：微管道网络 • 工作原理：微管道中流体控制
• 前处理功能：多种技术供选择
• 集成化对象：全部化学分析功能 • 应用领域：全部分析领域
Part 2:原理简析
结构及加工特点：
• 微流控分析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，窗口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。 • 其结构和加工特点如下： 1)以微管道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等 连接在一起，对加入微通道中的流体进行控制与分离测定，以完成 多种分析功能，如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等。 2)微流控分析芯片的面积为几个平方厘米。 3)微管道宽度和深度为微米级。 4)芯片材料已从硅片发展到玻璃，石英，有机聚合物等，因此也发展了 有机聚合物材料的加工技术。在传统的光刻和蚀刻的基础上发展了 模塑法，热压法，激光烧蚀法，LIGA技术和软光刻等新方法。
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• 由于它在生物、化学、医学等领域的 巨大潜力，已经发展成为一个生物、 化学、医学、流体、电子、材料、机 械等学科交叉的崭新研究领域。
Part 1 :仪器介绍
特点：
• 效率高
高分析或处理速度
制作成本
低成本
环境成本 原料成本
• 易普及
微小尺寸
Part 1 :仪器介绍
分类：
• 区分标准一（芯片材料）：
Part 3:重要应用
以食品安全为例
• 应用前景：长期以来，重金属污染受到 人们的广泛关注，工业活动导致的汞、 铅、镉、铬等重金属污染的生物毒性非 常显著，给人类健康和环境造成极大危 害。以汞为例，全世界汞的年排放量约 1.5万吨，主要来源于汞矿、冶金、氯 碱工业、电器工业和矿物燃料的燃烧。 这些无机汞进入大气循环和水体循环系 统后，在生物体内转化成有机汞（甲基 汞、乙基汞），毒性大大增强。最终在 食物链的各个环节中累积，给人类的健 康和生存带来巨大威胁。因此，对环境 重金属离子的监测十分重要。常规的检 测仪器包括电感耦合等离子质谱仪、原 子光谱法、分光光度法等，这些大型仪 器需要复杂样品前处理，仪器笨重昂贵， 不适合快速、实时、现场检测，所以开 发具有此功能的微型化检测器件势在必 行。
光刻和蚀刻的基本工序
Part 2:原理简析
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高分子聚合物微流控芯片的加工技术：
高分子聚合物基片上制作微通道的技术有 模塑法，热压法，LIGA技术，激光烧蚀法 和软光刻等。 软光刻是相对于微制造领域中占主导地位 的光刻而言的微图形转移和微制造的新方 法。因光刻不但需要昂贵的设备和超净实 验室，也不能在曲面上加工微结构。 从1995年开始，G.Whitesides等以自组装单 分子层(self-assembled monolayer, SAMs)， 弹性印章(elastomeric stamp)和高聚物膜塑 技术为基础，发展了一种新的低成本的微 细加工新技术“软光刻”。软光刻技术的 核心是图形转移元件-弹性印章。方法有微 接触印刷法，毛细微模塑法，转移微模塑 法和微复制模塑法等。它不仅可在高聚物 等材料上制造复杂的三维微通道，而且可 以改变材料表面的化学性质，有可能成为 低成本的微流控分析芯片的新方法。
无动力微流控芯片检测重金属离 子的工作原理
Part 3:重要应用
以食品安全为例
多通 道微 流控 芯片 实样
结束语：
• 作为一门具有极大应用潜力的新学科，微 流控芯片技术的发展令人瞩目，但是继续 发展既需要强大先进的技术支撑，更需要 先进的理论指导， TAS在发展中还需要更 多的基础理论来更深入地理解和掌握物质 在微米尺度流动状态下的行为，这些都对 相关的理论研究提出了新的挑战！
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• 区分标准二（功能需求）：
• • • 高分辨分离芯片 微采样(进样)芯片 微检测(传感器)芯片
硅芯片
玱璃芯片
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石英芯片
高聚物芯片
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细胞分析芯片
前处理芯片
• 硅-玱璃、硅-石英、玱璃-高聚物 等复合材料芯片
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化学合成芯片
多功能集成芯片
It’s a lab on a chip!
Microfluidic chip
Thanks for watching !
Group one @2011.03.27
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模塑法复制弹性印章
Part 3:重要应用
以食品安全为例
• 检测食物中的重金属离子
项目建立了一种用于重金属离子现场检测的多通道无动力微流控芯片及其使 用方法。该微流控芯片包括流体流动的通道片层和芯片基片，两者都由聚二 甲基硅氧烷（PDMS）制成，其优点在于该芯片的进样方式不需外部能量， 仅仅利用聚二甲基硅氧烷的存储气体的能力，经过抽真空前处理就可以达到 现场使用的效果。本微流控芯片与不同种类的金纳米探针结合，适用于现场 不同种类的重金属离子实时快速检测。整个芯片试剂盒包含密封的8通道微流 控芯片和独特设计的纳米生物探针。 建立的是一种多通道的无动力的微流控芯片，其与特定纳米探针相结合，可 以实现多个重金属离子样品的现场快速并行检测。当前，环境保护日益受到 重视，该技术将为现场监控水环境中的重金属污染提供一种非常便捷而使用 的工具。