微流控芯片文献总结

7月18号星期三
○1Microfluidic微流控芯片技术μTAS 微全分析系统Microfluidic Fiber chip微流控光纤芯片
○2PDMS 聚二甲基硅氧烷用来制作微流控沟道
优点：良好地绝缘性，能承受高压，热稳定性高，适用加工各种生化反应芯片；具有优良的光学特性，可应用于多种光学检测系统。

与传统的硅、玻璃相比PDMS的原材料价格便宜，芯片加工成本低，制作周期短，可重复使用。

○3电泳：带电颗粒在电场作用下，向着与其电性相反的电极移动，称为电泳。

利用带电粒子在电场中的移动速度的不同而达到分离的技术叫做电泳技术。

带电粒子在电场的作用下，单位时间移动的距离即为迁移率。

○4光电倍增管（PMT）photomultiplier能将微弱的光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件。

雪崩光电二级管（APD）avalanche photodiode一种半导体光器件，在加大偏压的作用下会产生雪崩（光电流成倍的激增）的现象。

有机发光二极管（OLED）一种薄膜多层器件，由碳分子或聚合物组成，能通过细微的改变器件的化学组成来调节OLED的发光波长峰值
○5光电导效应：入射光子射入到半导体表面，吸收产生电子空穴对，自生电导增大
光生伏特效应：一定波长的光照射到非均匀半导体（PN结），在自建
场的作用下，半导体内部产生光电压。

○6微流控光纤芯片是把光纤植入到芯片中并与微流控沟道垂直对准，用来激发微流控沟道中带荧光物质标记的DNA或氨基酸以产生荧光信号。

材料大多数是多模光纤和PDMS。

集成在芯片上的光纤作为激发光源，可使激发光斑的大小与微流控沟道的深度尺寸相接近，提高了检测灵敏度，省去了光学聚焦系统。

○7荧光：某些具有特殊结构的化合物受到紫外光或者激光照射后，能发出比紫外光或者激光波长更长的光线，一般在可见光范围内，这种光称为荧光。

波长较短的紫外光或者激光称为激发光，产生的荧光叫做发射光。

荧光检测——激光诱导荧光检测法，通常用于检测发荧光的化合物。

7月19号星期四
○1二次曝光：是将初始光波面与变化以后的物光波面相比较。

在记录过程中的一张全息干板作两次曝光，一次是记录初始光波的全息图；一次是记录变化后的物光波的全息图。

○2微流控芯片作为微全分析系统的主要研究方向，其目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、混合、反应、分离、检测等集成在微芯片上，将复杂耗时的分析过程微型化、集成化。

○3微机电系统或微加工技术（MEMS）是指可批量制作的，集微型机构，微型传感器，微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、
通信和电源等于一体的微型器件或系统。

（以半导体制造为基础）○4常用的检测法：激光诱导荧光检测法、化学发光检测法、激光热透镜检测法、折光率检测法、发射光谱检测法、电化学检测法和质谱检测法。

○5微流控芯片的优点：可批量制造、低成本、高可靠性、易操作、重复性好等。

主要分析对象有：DNA/RNA、蛋白质及多肽、药物、毒品和氨基酸等，应用在基因测序、药物筛选、蛋白组学、临床诊断等领域。

7月20号星期五
①微流控芯片的特点
分析系统通过在微米级通道与结构中实现微型化，不仅带来分析设备尺寸上的变化，而且在分析性能上也带来众多的优点。

(1)高效率:微流控分析系统具有极高的效率，许多微流控芯片可在数秒至数十秒时间内自动完成测定、分离或其他更复杂的操作。

分析和分离速度常高于相对应的宏观分析方法一至二个数量级。

其高分析或处理速度既来源于微米级通道中的高导热和传质速率(均与通道直径平方成反比)，也直接来源于结构尺寸的缩小。

(2)低消耗:微流控分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并随着技术水平的提高，还有可能进一步减少。

这既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗，也减少了环境的污染。

(3)高通量:微流控芯片平台集成多个独立的并行通道至一单元操作系统内，具有平行处理分析多个样品的能力。

微流控芯片实验室的
基本特征和最大优势是多种单元在微小平台上的灵活组合和大规模集成，高通量是大规模集成的一种形式。

(4)易集成:用微加工技术制作的微流控芯片部件具有微小的尺寸，使多个部件与功能有可能集成在数平方厘米的芯片面积上。

在此基础上易制成功能齐全的便携式仪器，用于各类样品的分析。

微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微，当实现批量生产后芯片成本可望大幅度降低，而有利于普及。

○2微流控芯片的应用领域
随着对微流控芯片应用研究的不断深入，芯片的应用范围将从药物分析与筛选拓展到疾病检测等，从科研院所的实验室进入到医疗医药等行业，应用前景十分广阔。

(1)生命科学:基因结构与功能研究是微流控芯片应用最广阔的领域之一。

人类基因组计划随着2000年6月人类基因组计划的初步完成进入后基因测序时代，而DNA的分析技术要求，需要高通量的筛选技术，和高速的基因多态分析技术，用于分析单个基因组中几百万到一千万个位置上的单核昔酸多态。

由于微流控芯片强大的大规模并行处理的能力，有可能使它在人类基因组计划的进一步研究及后基因时代发挥核心作用而成为该时代的支撑性技术。

(2)临床医学:在一张芯片上，微流控芯片可以同时对多个病人进行多种疾病的并行检测，能实现早期诊断;微流控芯片还能检测病原微生物种类，甚至微生物的亚型等，而且待测试样用量少，灵敏度和
可靠性高，检测成本低。

这些特点使得医务人员能够在短时间内掌握大量的疾病诊断信息，从而找到正确而有效的医疗措施。

(3)化学合成和新药筛选:微流控芯片高通量、大规模、平行性等特点，可以用于大规模比较各种合成发应，筛选催化剂和药物有效成分，加快新化合物和药物研究开发进程。

(4)其它领域:除了以上领域外，微流控芯片还可以广泛应用在农作物优育与优选、军事和刑事科学领域、检疫、食品、卫生、环境等监督领域。

○3微流控芯片的功能单元
1）样品制备与富集2)样品注入与控制3）样品混合与反应4）样品分离：色谱分离、电泳分离、电聚焦分离等。

○4微流控芯片信号检测
检测器的作用是测定经过微流控分析系统分离或者处理的有关样品的组成及其含量。

其中吸收光度检测器应用广泛，可测定物质种类多，结构简单（由于微流控芯片通道检测区的检测体积小，吸收光程短，导致它的相对灵
敏度低）
○5微流控芯片的发展趋势
(1)仪器小型化与微型化:有关μTAS与微流控系统的研究中，主要集中在毛细管电泳分离在芯片上的微型化，对检测器的微型化的研究还很不足。

一些己经商品化的微流控分析仪的检测器常比芯片本身的体积大数万倍。

为了实现便携化的目标，检测系统的进一步微型化、集成化势在必行。

在检测仪器的微型化与集成化方面，最有条件首先实现突破的是荧光与电化学检测器。

近年来，半导体激光器体积的缩小、短波长二极管激光器的出现、发光二极管的发光强度不断增强、及光电放大器件体积的缩小都为荧光检测器的微型化提供了有利条件。

微加工技术的发展为电化学检测器的集成化提供了有效的技术平台。

值得注意的是:由于吸收光程短而一直在微分析系统中处于劣势地位的吸光光度检测器，近年来在集成于微流控芯片的应用中也有重要进展。

由于吸光光度分析的广泛适用性，有关突破将对微型便携仪器的发展发挥重要作用。

(2)系统集成化:微流控芯片分析系统发展十多年来，其集成化程度越来越高。

但至今微流控分析系统的主要创新多集中于分离及检测体系方面，对如何在芯片上应对实际样品分析中的诸多问题，如试样引入、换样、前处理等，有关研究还十分薄弱。

因此常常出现的情况是:芯片上的分析仅需pL~nL级试样和试剂，而
μ.
实际采集的试样量和消耗的试剂却要大几十万倍，达10~100 L
○6微流控芯片功能之试样处理模式（博士论文：基于微流控芯片激光诱导荧光检测系统的研究与应用）
进样系统是芯片的一个重要组成部分，相对于其他过程或单元操作而言，这一部分有其不可或缺性。

试样处理模式即在分析过程中，试样液流在管道内呈现的形式。

样品更换和引入接口，输送通道设计，进样方法等，均是试样处理模式的有机构成。

如下图所示，目前主要的试样处理的模式包括连续试样液流，相间隔的试样液段或液滴，以及在连续载流携带下的试样区带三种。

不同的试样处理模式能实现不同的目标功能。

按照流动分析的观点，可以大致把三种处理模式的原型归结为连续流动分析，间隔式连续流动分析和流动注射(包括顺序注射)。

Different types for microfluidics sample introduction
7月23号星期一
○1微流控功能之液滴技术：利用微流控芯片的通道尺寸、表面化学特征和通道内流速控制能力，使两相溶液在微通道内混合形成纳升体积的液滴。

这类液滴体积小，面积/体积比大，相对热传递较快且相互独立，没有扩散，已迅速发展成为一种新的重要平台。

在微米级的通道尺度下，一些在宏观流动体系中可以忽略的物理效应表现得异常的显著，如层流效应，扩散效应，吸附效应和表面张力效应等。

对于微通道内的单相流动，不管是电渗驱动还是压力驱动，样品和试剂都会被不同程度的稀释，泰勒分散和比表面积增大带来的壁面吸附，使芯片在处理高通量的反应和分析时其交叉污染较常规体系更为严重。

通道形状的不规则增加了理论指导的难度，抛物流带来样品和试剂在微通道内传质速度的不均匀，因此，精确的反应控制变得困难。

在芯片上通过使两相不互溶的液流汇流，是其中一相在另一连续的相中形成微液滴(droplets)，交汇的流体形成乳状液(emulsions)。

○2微流控功能之驱动与控制在芯片实验室中，流体驱动方式一般可分为两类:一类是机械驱动方式，包括气动微泵、压电微泵、往复式微泵等各种微泵驱动和离心力驱动，这类方法利用自身机械部件的运动来达到驱动流体的目的，驱动系统中包含能运动的机械部件;另一类是非机械驱动方式，包括电渗驱动和重力驱动等，其特点是系统本身没有活动的机械部件。

微流体的控制技术主要有电渗控制和微阀控制两类。

目前，电渗流是毛细管与微流控芯片分析系统中使用最广泛的驱动和控制技术.
电渗驱动的原理是利用微通道表面存在的固定电荷进行驱动。

以玻璃基质微流控芯片为例，在中性或碱性条件下，玻璃通道表面带负电荷，液流中与其相邻的部分形成沿着通道壁的带正电荷的界面，也是就双电层。

在通道两端施加高电压，带正电荷的界面在电场作用下产生迁移，继而带动通道内界面包裹的液流产生流体的动力，也就是所谓的电渗流。

双电层的厚度通常只有数十纳米，所以电渗驱动可以在极微小通道内发挥作用。

最近，磁场驱动也快速发展起来。

作为在微米尺度结构中操控流体的驱动力，磁场具有电场和流体动力所不具备的优势。

磁场力的大小不受通道表面电荷、溶液pH值、离子强度和温度等条件的限制，而且磁场可以不与通道内的物质直接接触而实现控制，极大降低了交叉污染的可能。

由于磁性粒子与周围介质之间的磁化率有很大差别，
因此，利用磁场可以将其方便地与周围介质分离，这一特性使其在微流控芯片分离富集方面的优势显得尤为突出。

○3微流控芯片功能之反应微芯片反应技术是一种将微结构的内在优势应用到化学反应过程的技术，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化学反应系统。

它的基本特征是线性尺寸小、物理量梯度高、表面积/体积比大以及流动为低雷诺数层流，其优点是可通过并行单元来实现柔性生产、规模放大、快速和高通量筛选等，与常规反应器相比，微流控芯片反应器传质传热较快，反应条件(如温度、pH值等)更易控制。

○4微流控芯片的检测技术
微流控芯片检测器的性能要求检测是微流控芯片里相对特殊的一个操作单元，它的基本功能是用于捕捉并放大微流控芯片某一部分产生的信号。

与传统的仪器分析系统相比，微流控芯片分析系统对检测器有一些特殊的要求:
1.更高的灵敏度和信噪比
在微流控芯片分析过程中，被检测物质的进样体积小，检测区域也非常小，因此要求检测器具有更高的灵敏度和信噪比。

2.更快的响应速度
由于芯片通道一般较短，很多微反应与微混合会在很短时间内完成，因此要求检测器有很快的响应速度。

3.特殊的结构
考虑到检测器要与芯片的微通道尺度相匹配，并使得总体分析系统
微型化，微流控芯片检测器还应该具备特殊的结构以适应于芯片耦合，达到集成化要求。

4.体积小成本低
微流控检测器的功能与分类微流控芯片检测器的作用是测定经过微流控分析系统分离或者处理的有关样品的组成及其含量。

检测器的总体性能将影响整个微流控芯片分析系统的检出限、检测速度、适用范围、体积等指标，有关检测方法和检测器的研究己经成为微流控领域的一个重点和热点。

微流控芯片检测器一般按其检测原理进行分类。

基于不同的检测原理大致可以分为光学检测器、电化学检测器、质谱检测器、核磁共振检测器等。

其中光学检测器是通过检测光的各种参量来确定生化样品的各项指标，它在微流控芯片的信号检测系统中应用最为广泛。

基于微流控芯片的荧光检测器研究是论文工作的组成部分，这里将对其原理进行详细介绍。

1荧光检测器
激光诱导荧光检测器在目前微流控芯片检测器中最为常见，灵敏度也较高。

对于某些荧光效率高的物质，通过采用光子计数、双光子激发等一些改进得技术甚至可以达到单分子检测，可以部分弥补由于微流控系统检测体积小、光程短所导致的吸收光度检测相对灵敏度低的缺点。

此外检测方法还具有良好的选择性和较宽的线性范围，并且许多如氨基酸、等重要的生化物质样品均可以用荧光试剂进行标记，因此，在微流控芯片分析中检测器是一种应用最早、并且至今仍然应
用较多的光学检测器。

根据光学系统的不同，检测器中又有着共聚焦型和非共聚焦型之分。

其中共聚焦型是毛细管电泳微芯片分析系统中最常用的检测系统，其优点是对荧光与激发光、反射光、杂散光的分离更为完全，改善了检测灵敏度和信噪比。

激光经扩束准直，由二向色镜反射并由显微物镜聚焦后垂直照射到芯片的检测区域，激发产生的荧光经二向色镜透射，并由与显微物镜同轴且共焦的显微目镜聚焦，再经干涉滤光片进一步滤除干扰光后成像在光检测元件上进行检测。

非共聚焦型检测系统中，激光束经过透镜聚光和反射镜反射，以适当的入射角度照射芯片的检测区域，激发产生的荧光经物镜收集聚光，并由滤光片滤除激发光和其他杂散光后，用光电倍增管等光检测元件进行检测。

这种检测器结构简单，易微型化但激发光和杂射光的干扰较大，导致检测信号的信噪比较差。

7月24号星期二
○1检出限（detection limit）测定限（determination limit）又叫定量限检出限以浓度（或质量）表示，是指由特定的分析步骤能够合理地检测出的最小分析信号xL求得的最低浓度cL（或质量qL）。

测定限是定量分析方法实际可能测定的某组分的下限。

与检出限不同，测定限不仅受到测定噪声限制，而且还受到空白背景绝对水平的限制，只有当分析信号比噪声和空白背景大到一定程度时才能可靠地分辨与检测出来。

噪声和空白背景越高，实际能测定的浓度就越高，说明高的噪声和空白背景值会使测定限变坏。

检出限是指产生一个能可靠地被检出的分析信号所需要的某元素的最小浓度或含量，而测定限则是指定量分析实际可以达到的极限。

因为当元素在试样中的含量相当于方法的检出限时，虽然能可靠地检测其分析信号，证明该元素在试样中确实存在，但定量测定的误差可能非常大，测量的结果仅具有定性分析的价值。

测定限在数值上总应高于检出限。