圖解微流控芯片實驗室

1、圖解微流控芯片實驗室圖解微流控芯片實驗室-讀書報告讀書報告內(nèi)容提要內(nèi)容提要l 緒論l 芯片材料與制作技術(shù)l 表面改性技術(shù)l 微流體驅(qū)動與控制技術(shù)l 進樣與預處理l 微混合與微反應l 微分離技術(shù)l 液滴技術(shù)l 檢測技術(shù)l 應用核心技術(shù)一、認識微流控芯片實驗室一、認識微流控芯片實驗室1、什么是微流控芯片實驗室、什么是微流控芯片實驗室l微流控芯片實驗室又叫微流控芯片或芯片實驗室。l它將生物和化學領(lǐng)域所涉及的基本操作單元集成在一塊幾平方厘米的芯片上。操作單元尺寸在微米量級。 如圖所示，微流控芯片的基本構(gòu)成是各種儲液池及聯(lián)接他們構(gòu)成體系的微通道網(wǎng)絡(luò)。2、微流控芯片實驗室的優(yōu)勢、微流控芯片實驗室的優(yōu)勢：l

2、將多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成。l大幅縮短樣品處理時間。l顯著提高分辨率/靈敏度。l大幅降低消耗和成本。3、微流控芯片實驗室的最終目標、微流控芯片實驗室的最終目標： 使實驗設(shè)備小型化，家庭化，最終實現(xiàn)檢測等儀器的普及化，從根本上改善人類生存質(zhì)量。二、微尺度下的流體二、微尺度下的流體1、微尺度下流體的特征：微尺度下流體的特征：l微尺度下流體的最主要特征是層流層流和電滲電滲2、層流判斷流體流動是層流還是湍流要看雷諾系數(shù)Re Re 慣 性 力黏 性 力Re小于2000是層流，大于4000是湍流，在微流體 流動過程中，慣性力影響很小，黏性力起主導 ，Re大約在10-610，遠小

3、于2000，所以是典型的層流。 層流提供了在微小空間內(nèi)控制樣品濃度、寬度、溫度等指標的可能性，是微流控芯片得以實現(xiàn)強大功能并且具有寬廣應用面的重要原因3、傳質(zhì)l由于流體在微通道中以層流形式運動，層與層之間的質(zhì)量傳遞主要依靠擴散，擴散傳質(zhì)的公式為：2t=l2/Dt為達到穩(wěn)態(tài)的時間，為達到穩(wěn)態(tài)的時間，l為傳質(zhì)距離，為傳質(zhì)距離，D為擴散系數(shù)為擴散系數(shù)4、電滲電滲是一種流體相對于帶點管壁移動的現(xiàn)象，電滲的產(chǎn)生和偶電層有關(guān)。在pH3的條件下，微通道內(nèi)壁通常帶負電（表面電離或吸附），于是表面附近的液體中形成了一個帶正電的偶電層（stem層和擴散層），在平行于內(nèi)壁的外電場作用下，偶電層中的溶劑化陽離子或質(zhì)子

4、引起微通道內(nèi)流體朝著負極方向運動電滲流速計算公式V=/ 4 是zeta電勢， 是介電常數(shù)， 是外電場， 是流體粘度電滲驅(qū)動的特點：l流速大小可由外電場線性調(diào)節(jié)l外加電場電極可以集成在芯片上，從而縮小了芯片流體驅(qū)動系統(tǒng)體積l各種芯片材料都可以誘導電滲流l流體前沿為扁平狀三、芯片材料和芯片制作技術(shù)三、芯片材料和芯片制作技術(shù)1、制作材料l常用的芯片材料有單晶硅片、石英、玻璃和有機聚合物如PMMA、PDMS、PC以及水凝膠，他們具有良好的生化相容性、光學性能，其表面具有良好的可修飾性。下表為常見芯片制作材料的基本性能。2、芯片的制作l玻璃等芯片制作的主要步驟包括：涂膠、曝光、顯影、腐蝕和去膠。l高分子

5、聚合物芯片的制作技術(shù)主要包括熱壓法、模塑法、注塑法、激光燒蝕法、LIGA法和軟刻蝕法等。四、表面改性技術(shù)四、表面改性技術(shù)1、為什么要表面改性l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。l微流控芯片材質(zhì)多樣，增加了芯片表面的復雜性。l微流控芯片中的芯片分離、反應和細胞培養(yǎng)等單元技術(shù)對表面性質(zhì)的需求不同。2、改性目的l減小表面非特異性作用l增強表面特異性作用l提高表面穩(wěn)定性3、表面改性的方法分類4、不同材質(zhì)芯片的改性方法分類 1）玻璃、石英玻璃、石英動態(tài)改性靜電引力靜態(tài)改性硅烷化反應聚丙烯酰胺聚乙烯醇常用于核酸、蛋白質(zhì)電泳常用于小分子快速分析2）PDMSa、本體摻雜：在預聚體中引入特

6、殊性質(zhì)分子b、共價偶聯(lián)：利用等離子體、紫外、臭氧等物理方法完成如下反應c、聚合誘導接：d、吸附-交聯(lián)：5、表面改性的表征技術(shù)表面改性的表征技術(shù)l表面紅外漫反射吸收光譜（可以快速測量表面化學組 成變化）l原子力顯微鏡（直接觀察表面分子，考察表面歐聯(lián)的聚合物 分子層狀況）l熒光照片（可測試表面連接聚合物涂層對表面蛋白的吸附情況）l電滲流測定（可反映表面的電荷情況）五、微流體驅(qū)動與控制技術(shù)五、微流體驅(qū)動與控制技術(shù)1、常見流體驅(qū)動技術(shù)分類機械驅(qū)動包括：離心力驅(qū)動，氣動微泵驅(qū)動，壓電微泵驅(qū)動。PDMS氣動微泵驅(qū)動常規(guī)狀態(tài)下，閥門敞開施加動力鼓入空氣，薄膜在氣體壓力下發(fā)生形變，堵塞通道。撤銷壓力，恢復原狀

7、。三個閥依次如圖順序開啟閉合便可驅(qū)動流體流動。壓電微泵驅(qū)動壓電微泵驅(qū)動 向壓電雙晶片施加方波信號時,壓電雙晶片在電場的作用下發(fā)生周期性彎曲變形,進而驅(qū)動PDMS泵膜改變腔體的容積。當壓電雙晶片帶動泵膜向上移動時,泵腔體積增大,腔內(nèi)流體的壓強減小,使入口閥打開,同時出口閥關(guān)閉,流體在壓差的作用下流入泵腔。 非機械驅(qū)動包括非機械驅(qū)動包括：電滲驅(qū)動、熱氣微泵驅(qū)動、光學捕獲微泵電滲驅(qū)動電滲驅(qū)動：電滲驅(qū)動是當前微流控芯片中應用最廣泛的一種流體驅(qū)動技術(shù)。優(yōu)勢優(yōu)勢：構(gòu)架簡單、操作方便、流行扁平、無脈動等。劣勢劣勢：易受外加電場強度、通道表面、微流體性質(zhì)及傳熱效率等因素影響，穩(wěn)定性相對較差。2、微流體控制微流

8、體控制 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可控流體控流體的運動中完成的。微流體控制主要包括電滲控制電滲控制和微閥控制微閥控制。微閥控制微閥控制l特征特征：低泄露、低功耗、速度快、線性范圍廣、適應面廣。l舉例舉例：雙晶片單向閥 原理圖六、進樣和樣品預處理技術(shù)六、進樣和樣品預處理技術(shù)1、芯片實驗室各種進樣方式一覽A、簡單進樣B、懸浮進樣C、壓縮進樣D、門進樣2、樣品預處理七、微混合和微反應技術(shù)七、微混合和微反應技術(shù)1、微混合 由于一般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

9、主要原則為：提高層流條件下混合效率的主要原則為：l拉伸或折疊流體以增大流體的接觸面積；l利用分散混合設(shè)計，通過管路幾何交叉設(shè)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。微混合器的分類匯總微混合器的分類匯總2、微反應和微反應器 微反應技術(shù)是一種將微結(jié)構(gòu)內(nèi)在的優(yōu)勢應用到反應過程的技術(shù)，體現(xiàn)這種技術(shù)的設(shè)備或器件被稱為微反應器。微反應器是一種單元反應界面尺度為微米量級的微型反應器。微反應器分類微反應器分類 微型生物反應器主要的應用對象有：聚合聚合酶鏈反應（酶鏈反應（PCR）、免疫反應、各類酶反）、免疫反應、各類酶反應及應及DNA雜交反應等雜交反應等八、微分離技術(shù)八、微分離技術(shù) 早期的

10、微流控芯片，在某種意義上說就是一種微分離器件，電泳電泳是芯片微分離中采用最普遍的一種形式最普遍的一種形式自由溶液區(qū)帶芯片電泳自由溶液區(qū)帶芯片電泳 自由溶液區(qū)帶電泳是在開關(guān)通道中直接利用物質(zhì)的質(zhì)荷比差異質(zhì)荷比差異實現(xiàn)分離的一種電泳模式，它也是各種電泳分離中最基本的一種，影響因素相對較少，容易在芯片上實現(xiàn)。介質(zhì)篩分芯片電泳介質(zhì)篩分芯片電泳 篩分電泳是利用生物大分子和篩分介質(zhì)(高分子溶膠或凝膠)之間的動態(tài)交纏作用，把被分離物質(zhì)按照分子質(zhì)量大小分開按照分子質(zhì)量大小分開的一種技術(shù)，它是傳統(tǒng)的平板電泳和毛細管電泳中研究最多，應用最廣的一種電泳分離模式電色譜電色譜 基于被分離物荷質(zhì)比差異的自由溶液區(qū)帶電泳分

11、離，對一些強疏水物質(zhì)強疏水物質(zhì)不是很有效。這就需要在電泳過程中引入色譜分配的概念，利用不同組分利用不同組分分配系數(shù)的差異強化分離分配系數(shù)的差異強化分離。芯片電動色譜就是芯芯片電泳和液相色譜在某種程度的結(jié)合片電泳和液相色譜在某種程度的結(jié)合，充分利用了MEMS技術(shù)的高精確度、設(shè)計靈活等優(yōu)勢，突破了某些傳統(tǒng)電色譜加工模式的束縛，以電滲驅(qū)動代替壓力驅(qū)動。芯片電色譜有幾種基本模式:開管電色譜 ,填充電色譜和整體電色譜。膠束電動芯片色譜膠束電動芯片色譜 在含有膠束的緩沖溶液中，實際上存在著類似于色譜的兩相，一是流動的水相，另一相是起到固定作用的膠束相，溶質(zhì)在兩相之間分配，由其在膠束中不同的保留能力而產(chǎn)生不

12、同的保留值。芯片自由流電泳芯片自由流電泳 自由流電泳是指在樣品隨緩沖液連續(xù)流動的正交方向加一直流電場，使被分離物質(zhì)在流動的同時順電場方向作電遷移，按電泳倘度大小分離，并在流體末端被接取的一種技術(shù)(圖7-22 )。其分離度取決于流體向下流動的速度和電場的大小。介電電泳介電電泳 電中性顆粒被放置于非均勻電場下時，會產(chǎn)生誘導極化并與電場相互作用而產(chǎn)生介電泳動現(xiàn)象九、液滴技術(shù)1、液滴的形成 水溶液和油同時從不同的微通道中流出，當通道疏水時，油浸潤通道，包裹水溶液形成油包水（油包水（W/O）型液滴）型液滴；若通道親水，過程相反，形成水包油（水包油（O/W）型液滴。）型液滴。2、液滴的優(yōu)點液滴的優(yōu)點1）體

13、積小體積小 所需樣品微量，適合高通量篩選反應和某些樣品來源有限的反應2）樣品無擴散樣品無擴散 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)也因油相的包圍而受到抑制，液滴內(nèi)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 5）混合迅速混合迅速液滴在通道中運動時，在液滴內(nèi)部將以運動方向為軸，形成兩個循環(huán)回流。3、液滴的操控技術(shù)液滴的操控技術(shù)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滴。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，可將不同的待測樣品預先

14、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泵的推動下與反應物形成小液滴并開始反應。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。B、液滴的分裂、液滴的分裂液滴分裂主要依靠通道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)5、液滴的應用液滴的應用 隨著液滴技術(shù)的發(fā)展成熟，對液滴的研究逐步轉(zhuǎn)向應用，比較成功的例子包括：蛋白質(zhì)結(jié)晶研究、酶分析、細胞分析、材蛋白質(zhì)結(jié)晶研究、酶分析、細胞分析、材料制備和復雜過程模擬料制備和復雜過程模擬等。十、檢測技術(shù)十

15、、檢測技術(shù)1、微流控芯片對檢測器的特殊要求l靈敏度高靈敏度高l響應速度快響應速度快l體積小體積小2、激光誘導熒光檢測激光誘導熒光檢測 基本原理基本原理l優(yōu)點優(yōu)點：是最靈敏的檢測方法之一，其檢測限可達到10-910-13mol/L，對于某些高熒光產(chǎn)率的物質(zhì)甚至可以達到單分子檢測。l缺點：缺點：分析物需要具有熒光或含有可通過衍生反應得到熒光信號的官能團；熒光標記有可能會造成分析物質(zhì)生化學活性的改變，影響結(jié)果的可信度3、質(zhì)譜檢測質(zhì)譜檢測l優(yōu)勢：優(yōu)勢：能夠提供試樣組分中生物大分子的基本結(jié)構(gòu)和定量信息。在涉及蛋白質(zhì)組學研究中有難以替代的作用。l劣勢：劣勢：現(xiàn)行儀器體積龐大，價格昂貴，不符合芯片微型化的特

16、點，只能用于芯片外檢側(cè);芯片同質(zhì)潛的接口仍然是發(fā)展的重點與難點4、電化學檢測、電化學檢測 電化學檢測是通過電極將溶液中的待測物的化學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣瘜W信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆詫崿F(xiàn)對待測組分檢測的分析方法。微流控芯片電化學檢測可分為安培法、電導法和電勢法安培法、電導法和電勢法。l優(yōu)勢：優(yōu)勢：靈敏度高，選擇性好，裝置簡單，成本低，可以與微加工技術(shù)兼容，具有微型化和集成化的前景。l劣勢：劣勢：被檢測物質(zhì)需要有電化學活性(安培 檢測)，重現(xiàn)性較差。十一、微流控芯片的應用十一、微流控芯片的應用1、在核酸研究中的應用、在核酸研究中的應用 核酸研究的技術(shù)如DNA萃取萃取/純化、純化、PCR擴擴增、分子雜交、電泳

17、分離和檢測增、分子雜交、電泳分離和檢測等都可以在微流控芯片上實現(xiàn)。 如今已有的應用包括：基因突變檢測、基基因突變檢測、基因分型和因分型和DNA測序測序，就對象而言，病原體病原體的基因檢測的基因檢測應用尤為廣泛。2、在蛋白質(zhì)研究中的應用、在蛋白質(zhì)研究中的應用 1）微流控芯片上的蛋白質(zhì)樣品與處理技術(shù)）微流控芯片上的蛋白質(zhì)樣品與處理技術(shù) 樣品預處理蛋白質(zhì)純化微滲析液-液萃取蛋白蛋白質(zhì)富集等速電泳富集固相萃取富集多孔膜富集納米通道富集蛋白質(zhì)衍生在線衍生柱后衍生蛋白質(zhì)酶解固定化酶反應器芯片內(nèi)壁固定化胰蛋白酶微珠固定化胰蛋白酶原位聚合整體柱溶膠凝固固定化胰蛋白酶膜固定化胰蛋白酶蛋白質(zhì)分離蛋白質(zhì)分離芯片電泳

18、芯片色譜芯片二維分離芯片區(qū)帶電泳分離芯片篩分電泳分離2）蛋白質(zhì)分離）蛋白質(zhì)分離3、在離子和小分子研究中的應用、在離子和小分子研究中的應用 1）離子分離離子分離 微流控芯片離子分離分析現(xiàn)階段多以芯片電泳為分離手段，以電化學檢測作為主要檢測方式。 離子分離模式包括：區(qū)帶電泳、等速電泳、等速區(qū)帶電泳、等速電泳、等速電泳電泳-區(qū)帶電泳、離子色譜。區(qū)帶電泳、離子色譜。 2）手性分子手性分子A、手性拆分、手性拆分 目前在微流控芯片上有所嘗試的拆分方法有：酶法拆分、色譜拆分、電泳法拆分酶法拆分、色譜拆分、電泳法拆分，其中電泳法是采用最多的一種方法，就拆分方式而言，以直接法直接法居多。 B、手性合成、手性合成 微流控芯片進行手性合成的研究處于研究階段 ，報道較少但前景光明。C、手性合成、手性合成-手性拆分集成手性拆分集成 手性合成與手性拆分集成使反應和評估系統(tǒng)處于同一量級，具有發(fā)展高通量的潛力，目前已報道的集成模式有游離酶水相反應游離酶水相反應與區(qū)帶電泳手性拆分的集成。與區(qū)帶電泳手性拆分的集成