微流控技術匯總

1、2015年年4月月1日日微流控合成條件選擇微流控合成條件選擇 催化劑制備和表征催化劑制備和表征選修課程：選修課程：XXXX 教授教授指導教師：指導教師： 匯匯 報報 人：人： XXXXXX學號：學號：s20140500X2015年年4月月1日日2表面改性技術表面改性技術液滴技術液滴技術微混合與微反應技術微混合與微反應技術微流體驅動與控制技術微流體驅動與控制技術微反應器設計及制作微反應器設計及制作微流控合成條件選擇微流控合成條件選擇2015年年4月月1日日3微反應器設計及制作微反應器設計及制作微反應器的種類微反應器的種類微反應器微反應器微化學反微化學反應器應器均相反應器均相反應器非均相反應器非均

2、相反應器微生物反微生物反應器應器生物大分子反生物大分子反應方向應方向1 1、按反應類型分：、按反應類型分：2015年年4月月1日日42、按載體形式分：、按載體形式分：1）芯）芯片微反應器片微反應器2）毛）毛細管微反應器細管微反應器 13）特）特殊形狀的特制微反應器殊形狀的特制微反應器（1）（2）（3）2015年年4月月1日日 常用的芯片材料有：常用的芯片材料有： 單晶硅片、石英、玻璃、有機聚合物單晶硅片、石英、玻璃、有機聚合物 如如PMMA、PDMS、PC以及水凝膠以及水凝膠 優(yōu)點：優(yōu)點： 良好的生化相容性、光學性能，表面具有良好的可修飾良好的生化相容性、光學性能，表面具有良好的可修飾性。下表

3、為常見芯片制作材料的基本性能。性。下表為常見芯片制作材料的基本性能。 微反應器制作材料微反應器制作材料微反應器設計及制作微反應器設計及制作52015年年4月月1日日微反應器設計及制作微反應器設計及制作62015年年4月月1日日 玻璃等芯片制作的主要步驟包括：玻璃等芯片制作的主要步驟包括： 涂膠、曝光、顯影、腐蝕、去膠、鍵合。涂膠、曝光、顯影、腐蝕、去膠、鍵合。 高分子聚合物芯片的制作技術主要包括：高分子聚合物芯片的制作技術主要包括： 熱壓法、模塑法、注塑法、激光燒蝕法、熱壓法、模塑法、注塑法、激光燒蝕法、LIGA法和軟法和軟刻蝕法等?？涛g法等。 芯片制作芯片制作微反應器設計及制作微反應器設計及

4、制作72015年年4月月1日日表面改性技術表面改性技術 微流控芯片中比表面積大，表面效應顯著，表面重要性被微流控芯片中比表面積大，表面效應顯著，表面重要性被強化。強化。 微流控芯片材質多樣，增加了芯片表面的復雜性。微流控芯片材質多樣，增加了芯片表面的復雜性。 微流控芯片中的芯片分離、反應和細胞培養(yǎng)等單元技術對微流控芯片中的芯片分離、反應和細胞培養(yǎng)等單元技術對表面性質的需求不同。表面性質的需求不同。 為什么要表面改性為什么要表面改性 減小表面非特異性作用減小表面非特異性作用 增強表面特異性作用增強表面特異性作用 提高表面穩(wěn)定性提高表面穩(wěn)定性 改性目的改性目的82015年年4月月1日日 表面改性的

5、方法分類表面改性的方法分類表面改性技術表面改性技術表面改性表面改性方法方法靜態(tài)改性靜態(tài)改性硅烷化硅烷化聚合誘導聚合誘導接枝接枝本體摻雜本體摻雜共價偶聯(lián)共價偶聯(lián)動態(tài)改性動態(tài)改性92015年年4月月1日日 常見流體驅動技術分常見流體驅動技術分類類22微流體驅動與控制技術微流體驅動與控制技術流動驅動技術流動驅動技術機械力驅動機械力驅動（系統(tǒng)自身機械部件的運動來驅（系統(tǒng)自身機械部件的運動來驅動流體）動流體）氣動氣動微泵微泵離心離心力驅力驅動動壓電壓電微泵微泵非機械力驅動非機械力驅動（系統(tǒng)本身沒有活動的機械（系統(tǒng)本身沒有活動的機械部件）部件）電滲電滲驅動驅動熱氣熱氣驅動驅動光學捕光學捕獲驅動獲驅動102

6、015年年4月月1日日1 1、機械驅動包括：、機械驅動包括：離心力驅動，氣動微泵驅動，壓電微泵驅動。離心力驅動，氣動微泵驅動，壓電微泵驅動。微流體驅動與控制技術微流體驅動與控制技術壓電微泵驅動壓電微泵驅動 向壓電雙晶片施加方波信向壓電雙晶片施加方波信號時號時, ,壓電雙晶片在電場壓電雙晶片在電場的作用下發(fā)生周期性彎曲的作用下發(fā)生周期性彎曲變形變形, ,進而驅動進而驅動PDMS泵膜泵膜改變腔體的容積。當壓電改變腔體的容積。當壓電雙晶片帶動泵膜向上移動雙晶片帶動泵膜向上移動時時, ,泵腔體積增大泵腔體積增大, ,腔內流腔內流體的壓強減小體的壓強減小, ,使入口閥使入口閥打開打開, ,同時出口閥關閉

7、同時出口閥關閉, ,流流體在壓差的作用下流入泵體在壓差的作用下流入泵腔。腔。 112015年年4月月1日日2 2、非機械驅動包括：、非機械驅動包括：電滲驅動、熱氣微泵驅動、光學捕獲微泵電滲驅動、熱氣微泵驅動、光學捕獲微泵 電滲驅動：電滲驅動：電滲驅動是當前微流控芯片中應用最廣泛的一種流體驅動技術。電滲驅動是當前微流控芯片中應用最廣泛的一種流體驅動技術。微流體驅動與控制技術微流體驅動與控制技術12優(yōu)勢：優(yōu)勢：構架簡單、操作方便、流行扁構架簡單、操作方便、流行扁平、無脈動等。平、無脈動等。劣勢：劣勢：易受外加電場強度、通道表面、易受外加電場強度、通道表面、微流體性質及傳熱效率等因素微流體性質及傳熱

8、效率等因素影響，穩(wěn)定性相對較差。影響，穩(wěn)定性相對較差。2015年年4月月1日日 微流體控制是微流控芯片實驗室的操作核心，在微流控芯片實驗室所涉及的進樣、混合、反應、分離、檢測等過程都是在可控流體可控流體的運動中完成的。微流體控制主要包括電電滲控制滲控制和微閥控制微閥控制。微流體驅動與控制技術微流體驅動與控制技術 微流體控制微流體控制132015年年4月月1日日 微閥控制微閥控制 特征特征：低泄露、低功耗、速度快、線性范圍廣、適應面廣 舉例舉例：雙晶片單向閥 原理圖微流體驅動與控制技術微流體驅動與控制技術142015年年4月月1日日微混合和微反應技術微混合和微反應技術1、微混合、微混合 由于一般

9、微流控裝置流體狀態(tài)以層流層流為主，因此微流控的微混合主要依靠擴散擴散提高層流條件下混合效率的主要原則為：提高層流條件下混合效率的主要原則為： 拉伸或折疊流體以增大流體的接觸面積；拉伸或折疊流體以增大流體的接觸面積； 利用分散混合設計，通過管路幾何交叉設計將大的液流拆利用分散混合設計，通過管路幾何交叉設計將大的液流拆分并重新組合，從而減小液流厚度，實現(xiàn)更有效混合。分并重新組合，從而減小液流厚度，實現(xiàn)更有效混合。152015年年4月月1日日微混合器的分類匯總微混合器的分類匯總33微混合和微反應技術微混合和微反應技術微混合器微混合器被動式被動式并行疊片并行疊片串聯(lián)疊片串聯(lián)疊片混沌對流混沌對流液滴液滴

10、主動式主動式磁力攪拌型磁力攪拌型聲場促進型聲場促進型電場促進型電場促進型其他類型其他類型162015年年4月月1日日17微混合和微反應技術微混合和微反應技術2015年年4月月1日日液滴技術液滴技術18一種在微尺度通道內，利用流動剪切力與表面張力之間的相互作一種在微尺度通道內，利用流動剪切力與表面張力之間的相互作用將連續(xù)流體分割分離成離散的納升級及以下體積的液滴的微納用將連續(xù)流體分割分離成離散的納升級及以下體積的液滴的微納技術。它是近年來發(fā)展起來的一種全新的操縱微小液體體積的技技術。它是近年來發(fā)展起來的一種全新的操縱微小液體體積的技術術3。主要有氣。主要有氣-液相液滴和液液相液滴和液-液相液滴兩

11、種。氣液相液滴兩種。氣-液相液滴由于液相液滴由于容易在微通道中揮發(fā)和造成交叉污染而限制了其應用。液容易在微通道中揮發(fā)和造成交叉污染而限制了其應用。液-液相液液相液滴根據(jù)連續(xù)相和分散相的不同又分為水包油滴根據(jù)連續(xù)相和分散相的不同又分為水包油( O/W) ，油包水，油包水( W/O) ，油包水包油，油包水包油( O/W/O) 以及水包油包水以及水包油包水( W/O/W) 等，可以等，可以克服液滴揮發(fā)、交叉污染等缺點，因而是微流控液滴技術發(fā)展的克服液滴揮發(fā)、交叉污染等缺點，因而是微流控液滴技術發(fā)展的側重所在。側重所在。2015年年4月月1日日19液滴技術液滴技術液滴技術液滴技術微液滴生成微液滴生成水

12、動力法水動力法氣動力法氣動力法光控法光控法電動法電動法微液滴操控微液滴操控微液滴裂分微液滴裂分微液滴融合微液滴融合混合混合微液滴分選微液滴分選微液滴捕獲微液滴捕獲水動力法水動力法T T型通道法型通道法流動聚焦法流動聚焦法共流聚焦法共流聚焦法參考文獻參考文獻42015年年4月月1日日1、液滴的形成、液滴的形成 水溶液和油同時從不同的微通道中流出，當通道水溶液和油同時從不同的微通道中流出，當通道疏水時，油浸潤通道，包裹水溶液形成油包水疏水時，油浸潤通道，包裹水溶液形成油包水（W/O）型液滴；若通道親水，過程相反，形成水包油（）型液滴；若通道親水，過程相反，形成水包油（O/W）型液滴。）型液滴。液滴

13、技術液滴技術202015年年4月月1日日2、液滴的優(yōu)點、液滴的優(yōu)點1）體積?。w積小 所需樣品微量，適合高通量篩選反應和某些樣品來源有限所需樣品微量，適合高通量篩選反應和某些樣品來源有限的反應的反應2）樣品無擴散）樣品無擴散 液滴技術液滴技術212015年年4月月1日日3）反應條件穩(wěn)定）反應條件穩(wěn)定 除了消除樣品分子的擴散之外，水分子的蒸發(fā)也因油相的除了消除樣品分子的擴散之外，水分子的蒸發(fā)也因油相的包圍而受到抑制，液滴內的反應條件幾乎不受外界影響包圍而受到抑制，液滴內的反應條件幾乎不受外界影響4）樣品間的交叉污染得以避免）樣品間的交叉污染得以避免 液滴技術液滴技術222015年年4月月1日日5

14、）混合迅速）混合迅速液滴在通道中運動時，在液滴內部將以運動方向為液滴在通道中運動時，在液滴內部將以運動方向為軸，形成兩個循環(huán)回流。軸，形成兩個循環(huán)回流。液滴技術液滴技術232015年年4月月1日日3、液滴的操控技術、液滴的操控技術1）反應物的引入）反應物的引入A、直接進樣、直接進樣 當反應比較簡單時，可用注射泵直接將反應物包入液當反應比較簡單時，可用注射泵直接將反應物包入液滴。滴。液滴技術液滴技術242015年年4月月1日日B、毛細管進樣、毛細管進樣 高通量篩選需不斷改變液滴的組成和濃度，為實現(xiàn)此目標高通量篩選需不斷改變液滴的組成和濃度，為實現(xiàn)此目標，可將不同的待測樣品預先吸入毛細管中，形成一

15、系列體，可將不同的待測樣品預先吸入毛細管中，形成一系列體積較大的液滴，然后將該毛細管與微流控芯片連接在注射積較大的液滴，然后將該毛細管與微流控芯片連接在注射泵的推動下與反應物形成小液滴并開始反應。泵的推動下與反應物形成小液滴并開始反應。液滴技術液滴技術252015年年4月月1日日2）液滴的融合和分裂）液滴的融合和分裂A、液滴融合、液滴融合 兩種液滴融合的思路：現(xiàn)在芯片的不同位置平行的形成不兩種液滴融合的思路：現(xiàn)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，在芯片特定的位置同的液滴，控制好各液滴生成的速度，在芯片特定的位置匯合，在表面張力或靜電力的作用下，兩液滴融合。匯合，在表面

16、張力或靜電力的作用下，兩液滴融合。液滴技術液滴技術262015年年4月月1日日B、液滴的分裂、液滴的分裂液滴分裂主要依靠通道結構實現(xiàn)液滴分裂主要依靠通道結構實現(xiàn)液滴技術液滴技術272015年年4月月1日日28C、液滴的捕獲、液滴的捕獲5,6 在沒有通電時，液滴會沿著主通道流向下游在沒有通電時，液滴會沿著主通道流向下游; 通電時，液滴會通電時，液滴會產生極化現(xiàn)象，在介電電泳力的作用下液滴被捕獲到微孔中產生極化現(xiàn)象，在介電電泳力的作用下液滴被捕獲到微孔中注意：注意：ITO 銦錫氧化物銦錫氧化物In2O3 - SnO2它們的氧化物它們的氧化物具有半導體特具有半導體特點點,通常用它們通常用它們做成膜電

17、極做成膜電極.2015年年4月月1日日4、液滴的應用、液滴的應用 隨著液滴技術的發(fā)展成熟，對液滴的研究逐步轉向應用，比較成功的例子包括：蛋白質結晶研究蛋白質結晶研究、酶分析、細胞分析、酶分析、細胞分析、材材料制備料制備和復雜過程模擬和復雜過程模擬等。29液滴技術液滴技術2015年年4月月1日日30參考文獻參考文獻1張東堂張東堂,程昌程昌,汪夏燕汪夏燕,夏定國夏定國. 微流控法合成石墨烯負載的微流控法合成石墨烯負載的PtNi燃料電池陰極催化劑及其性燃料電池陰極催化劑及其性能能J. 過程工程學報過程工程學報,2013,04:698-702.2游煒臻游煒臻. 玻璃基微流控芯片電滲泵玻璃基微流控芯片電滲泵D.廈門大學廈門大學,2009.3朱麗朱麗,侯麗雅侯麗雅,章維一章維一. 微混合器研究進展微混合器研究進展J. 微納