图解微流控芯片实验室.ppt

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1、图解微流控芯片实验室---------读书报告内容提要绪论芯片材料与制作技术表面改性技术微流体驱动与控制技术进样与预处理微混合与微反应微分离技术液滴技术检测技术应用核心技术一、认识微流控芯片实验室1、什么是微流控芯片实验室？？？微流控芯片实验室又叫微流控芯片或芯片实验室。它将生物和化学领域所涉及的基本操作单元集成在一块几平方厘米的芯片上。操作单元尺寸在微米量级。如图所示，微流控芯片的基本构成是各种储液池及联接他们构成体系的微通道网络。2、微流控芯片实验室的优势：将多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。大幅缩短样品处

2、理时间。显著提高分辨率/灵敏度。大幅降低消耗和成本。3、微流控芯片实验室的最终目标：使实验设备小型化，家庭化，最终实现检测等仪器的普及化，从根本上改善人类生存质量。二、微尺度下的流体1、微尺度下流体的特征：微尺度下流体的最主要特征是层流和电渗2、层流判断流体流动是层流还是湍流要看雷诺系数ReRe小于2000是层流，大于4000是湍流，在微流体流动过程中，惯性力影响很小，黏性力起主导，Re大约在10-6~10，远小于2000，所以是典型的层流。层流提供了在微小空间内控制样品浓度、宽度、温度等指标的可能性，是微流控芯片得以实现强大功能

3、并且具有宽广应用面的重要原因3、传质由于流体在微通道中以层流形式运动，层与层之间的质量传递主要依靠扩散，扩散传质的公式为：2t=l2/Dt为达到稳态的时间，l为传质距离，D为扩散系数4、电渗电渗是一种流体相对于带点管壁移动的现象，电渗的产生和偶电层有关。在pH>3的条件下，微通道内壁通常带负电（表面电离或吸附），于是表面附近的液体中形成了一个带正电的偶电层（stem层和扩散层），在平行于内壁的外电场作用下，偶电层中的溶剂化阳离子或质子引起微通道内流体朝着负极方向运动电渗流速计算公式ζ是zeta电势，ε是介电常数，Φ是外电场，μ是流

4、体粘度电渗驱动的特点：流速大小可由外电场线性调节外加电场电极可以集成在芯片上，从而缩小了芯片流体驱动系统体积各种芯片材料都可以诱导电渗流流体前沿为扁平状三、芯片材料和芯片制作技术1、制作材料常用的芯片材料有单晶硅片、石英、玻璃和有机聚合物如PMMA、PDMS、PC以及水凝胶，他们具有良好的生化相容性、光学性能，其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。2、芯片的制作玻璃等芯片制作的主要步骤包括：涂胶、曝光、显影、腐蚀和去胶。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

5、等。四、表面改性技术1、为什么要表面改性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。2、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3、表面改性的方法分类4、不同材质芯片的改性方法分类1）玻璃、石英动态改性静电引力静态改性硅烷化反应聚丙烯酰胺聚乙烯醇常用于核酸、蛋白质电泳常用于小分子快速分析2）PDMSa、本体掺杂：在预聚体中引入特殊性质分子b、共价偶联：利用等离子体、紫外、臭氧等物理方法完

6、成如下反应c、聚合诱导接：d、吸附-交联：5、表面改性的表征技术表面红外漫反射吸收光谱（可以快速测量表面化学组成变化）原子力显微镜（直接观察表面分子，考察表面欧联的聚合物分子层状况）荧光照片（可测试表面连接聚合物涂层对表面蛋白的吸附情况）电渗流测定（可反映表面的电荷情况）五、微流体驱动与控制技术1、常见流体驱动技术分类机械驱动包括：离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱动。PDMS气动微泵驱动常规状态下，阀门敞开施加动力鼓入空气，薄膜在气体压力下发生形变，堵塞通道。撤销压力，恢复原状。三个阀依次如图顺序开启闭合便可驱动流体流动。压电

7、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。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。2、微流体控制微流体控制是微流控芯片实验室的操作核

8、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。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六、进样和样品预处理技术1、芯片