圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室

1、圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室-讀書(shū)報(bào)告讀書(shū)報(bào)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(dòng)與控制技術(shù)l 進(jìn)樣與預(yù)處理l 微混合與微反應(yīng)l 微分離技術(shù)l 液滴技術(shù)l 檢測(cè)技術(shù)l 應(yīng)用核心技術(shù)一、認(rèn)識(shí)微流控芯片實(shí)驗(yàn)室一、認(rèn)識(shí)微流控芯片實(shí)驗(yàn)室1、什么是微流控芯片實(shí)驗(yàn)室、什么是微流控芯片實(shí)驗(yàn)室l微流控芯片實(shí)驗(yàn)室又叫微流控芯片或芯片實(shí)驗(yàn)室。l它將生物和化學(xué)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(jí)。 如圖所示，微流控芯片的基本構(gòu)成是各種儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)、微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)：l

2、將多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成。l大幅縮短樣品處理時(shí)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(shí)驗(yàn)室的最終目標(biāo)、微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的最終目標(biāo)： 使實(shí)驗(yàn)設(shè)備小型化，家庭化，最終實(shí)現(xiàn)檢測(cè)等儀器的普及化，從根本上改善人類(lèi)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(dòng)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(dòng)過(guò)程中，慣性力影響很小，黏性力起主導(dǎo) ，Re大約在10-610，遠(yuǎn)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(biāo)的可能性，是微流控芯片得以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大功能并且具有寬廣應(yīng)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(yùn)動(dòng)，層與層之間的質(zhì)量傳遞主要依靠擴(kuò)散，擴(kuò)散傳質(zhì)的公式為：2t=l2/Dt為達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，為達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，l為傳質(zhì)距離，為傳質(zhì)距離，D為擴(kuò)散系數(shù)為擴(kuò)散系數(shù)4、電滲電滲是一種流體相對(duì)于帶點(diǎn)管壁移動(dòng)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(fù)電（表面電離或吸附），于是表面附近的液體中形成了一個(gè)帶正電的偶電層（stem層和擴(kuò)散層），在平行于內(nèi)壁的外電場(chǎng)作用下，偶電層中的溶劑化陽(yáng)離子或質(zhì)子

4、引起微通道內(nèi)流體朝著負(fù)極方向運(yùn)動(dòng)電滲流速計(jì)算公式V=/ 4 是zeta電勢(shì)， 是介電常數(shù)， 是外電場(chǎng)， 是流體粘度電滲驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：l流速大小可由外電場(chǎng)線(xiàn)性調(diào)節(jié)l外加電場(chǎng)電極可以集成在芯片上，從而縮小了芯片流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積l各種芯片材料都可以誘導(dǎo)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(jī)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(xué)性能，其表面具有良好的可修飾性。下表為常見(jiàn)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(yīng)顯著，表面重要性被強(qiáng)化。l微流控芯片材質(zhì)多樣，增加了芯片表面的復(fù)雜性。l微流控芯片中的芯片分離、反應(yīng)和細(xì)胞培養(yǎng)等單元技術(shù)對(duì)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(qiáng)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(lèi)4、不同材質(zhì)芯片的改性方法分類(lèi) 1）玻璃、石英玻璃、石英動(dòng)態(tài)改性靜電引力靜態(tài)改性硅烷化反應(yīng)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(yù)聚體中引入特

6、殊性質(zhì)分子b、共價(jià)偶聯(lián)：利用等離子體、紫外、臭氧等物理方法完成如下反應(yīng)c、聚合誘導(dǎo)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(cè)量表面化學(xué)組 成變化）l原子力顯微鏡（直接觀(guān)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(cè)試表面連接聚合物涂層對(duì)表面蛋白的吸附情況）l電滲流測(cè)定（可反映表面的電荷情況）五、微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)五、微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)1、常見(jiàn)流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)分類(lèi)機(jī)械驅(qū)動(dòng)包括：離心力驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)微泵驅(qū)動(dòng)，壓電微泵驅(qū)動(dòng)。PDMS氣動(dòng)微泵驅(qū)動(dòng)常規(guī)狀態(tài)下，閥門(mén)敞開(kāi)施加動(dòng)力鼓入空氣，薄膜在氣體壓力下發(fā)生形變，堵塞通道。撤銷(xiāo)壓力，恢復(fù)原狀

7、。三個(gè)閥依次如圖順序開(kāi)啟閉合便可驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。壓電微泵驅(qū)動(dòng)壓電微泵驅(qū)動(dòng) 向壓電雙晶片施加方波信號(hào)時(shí),壓電雙晶片在電場(chǎng)的作用下發(fā)生周期性彎曲變形,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)PDMS泵膜改變腔體的容積。當(dāng)壓電雙晶片帶動(dòng)泵膜向上移動(dòng)時(shí),泵腔體積增大,腔內(nèi)流體的壓強(qiáng)減小,使入口閥打開(kāi),同時(shí)出口閥關(guān)閉,流體在壓差的作用下流入泵腔。 非機(jī)械驅(qū)動(dòng)包括非機(jī)械驅(qū)動(dòng)包括：電滲驅(qū)動(dòng)、熱氣微泵驅(qū)動(dòng)、光學(xué)捕獲微泵電滲驅(qū)動(dòng)電滲驅(qū)動(dòng)：電滲驅(qū)動(dòng)是當(dāng)前微流控芯片中應(yīng)用最廣泛的一種流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)。優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)：構(gòu)架簡(jiǎn)單、操作方便、流行扁平、無(wú)脈動(dòng)等。劣勢(shì)劣勢(shì)：易受外加電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(shí)驗(yàn)室的操作核心，在微流控芯片實(shí)驗(yàn)室所涉及的進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等過(guò)程都是在可可控流體控流體的運(yùn)動(dòng)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(xiàn)性范圍廣、適應(yīng)面廣。l舉例舉例：雙晶片單向閥 原理圖六、進(jìn)樣和樣品預(yù)處理技術(shù)六、進(jìn)樣和樣品預(yù)處理技術(shù)1、芯片實(shí)驗(yàn)室各種進(jìn)樣方式一覽A、簡(jiǎn)單進(jìn)樣B、懸浮進(jìn)樣C、壓縮進(jìn)樣D、門(mén)進(jìn)樣2、樣品預(yù)處理七、微混合和微反應(yīng)技術(shù)七、微混合和微反應(yīng)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(kuò)散擴(kuò)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(jì)，通過(guò)管路幾何交叉設(shè)計(jì)將大的液流拆分并重新組合，從而減小液流厚度，實(shí)現(xiàn)更有效混合。微混合器的分類(lèi)匯總微混合器的分類(lèi)匯總2、微反應(yīng)和微反應(yīng)器 微反應(yīng)技術(shù)是一種將微結(jié)構(gòu)內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到反應(yīng)過(guò)程的技術(shù)，體現(xiàn)這種技術(shù)的設(shè)備或器件被稱(chēng)為微反應(yīng)器。微反應(yīng)器是一種單元反應(yīng)界面尺度為微米量級(jí)的微型反應(yīng)器。微反應(yīng)器分類(lèi)微反應(yīng)器分類(lèi) 微型生物反應(yīng)器主要的應(yīng)用對(duì)象有：聚合聚合酶鏈反應(yīng)（酶鏈反應(yīng)（PCR）、免疫反應(yīng)、各類(lèi)酶反）、免疫反應(yīng)、各類(lèi)酶反應(yīng)及應(yīng)及DNA雜交反應(yīng)等雜交反應(yīng)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(shuō)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(kāi)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(shí)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(duì)較少，容易在芯片上實(shí)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(dòng)態(tài)交纏作用，把被分離物質(zhì)按照分子質(zhì)量大小分開(kāi)按照分子質(zhì)量大小分開(kāi)的一種技術(shù)，它是傳統(tǒng)的平板電泳和毛細(xì)管電泳中研究最多，應(yīng)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(duì)一些強(qiáng)疏水物質(zhì)強(qiáng)疏水物質(zhì)不是很有效。這就需要在電泳過(guò)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(qiáng)化分離分配系數(shù)的差異強(qiáng)化分離。芯片電動(dòng)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(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)，突破了某些傳統(tǒng)電色譜加工模式的束縛，以電滲驅(qū)動(dòng)代替壓力驅(qū)動(dòng)。芯片電色譜有幾種基本模式:開(kāi)管電色譜 ,填充電色譜和整體電色譜。膠束電動(dòng)芯片色譜膠束電動(dòng)芯片色譜 在含有膠束的緩沖溶液中，實(shí)際上存在著類(lèi)似于色譜的兩相，一是流動(dòng)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(dòng)的正交方向加一直流電場(chǎng)，使被分離物質(zhì)在流動(dòng)的同時(shí)順電場(chǎng)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(dòng)的速度和電場(chǎng)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(chǎng)下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)極化并與電場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生介電泳動(dòng)現(xiàn)象九、液滴技術(shù)1、液滴的形成 水溶液和油同時(shí)從不同的微通道中流出，當(dāng)通道疏水時(shí)，油浸潤(rùn)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(guò)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(diǎn)液滴的優(yōu)點(diǎn)1）體

13、積小體積小 所需樣品微量，適合高通量篩選反應(yīng)和某些樣品來(lái)源有限的反應(yīng)2）樣品無(wú)擴(kuò)散樣品無(wú)擴(kuò)散 3）反應(yīng)條件穩(wěn)定反應(yīng)條件穩(wěn)定 除了消除樣品分子的擴(kuò)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(yīng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，在液滴內(nèi)部將以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S，形成兩個(gè)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(yīng)物的引入）反應(yīng)物的引入A、直接進(jìn)樣、直接進(jìn)樣 當(dāng)反應(yīng)比較簡(jiǎn)單時(shí)，可用注射泵直接將反應(yīng)物包入液滴。B、毛細(xì)管進(jìn)樣、毛細(xì)管進(jìn)樣 高通量篩選需不斷改變液滴的組成和濃度，為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，可將不同的待測(cè)樣品預(yù)先

14、吸入毛細(xì)管中，形成一系列體積較大的液滴，然后將該毛細(xì)管與微流控芯片連接在注射泵的推動(dòng)下與反應(yīng)物形成小液滴并開(kāi)始反應(yīng)。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(shí)現(xiàn)5、液滴的應(yīng)用液滴的應(yīng)用 隨著液滴技術(shù)的發(fā)展成熟，對(duì)液滴的研究逐步轉(zhuǎn)向應(yīng)用，比較成功的例子包括：蛋白質(zhì)結(jié)晶研究、酶分析、細(xì)胞分析、材蛋白質(zhì)結(jié)晶研究、酶分析、細(xì)胞分析、材料制備和復(fù)雜過(guò)程模擬料制備和復(fù)雜過(guò)程模擬等。十、檢測(cè)技術(shù)十

15、、檢測(cè)技術(shù)1、微流控芯片對(duì)檢測(cè)器的特殊要求l靈敏度高靈敏度高l響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快l體積小體積小2、激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè) 基本原理基本原理l優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：是最靈敏的檢測(cè)方法之一，其檢測(cè)限可達(dá)到10-910-13mol/L，對(duì)于某些高熒光產(chǎn)率的物質(zhì)甚至可以達(dá)到單分子檢測(cè)。l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：分析物需要具有熒光或含有可通過(guò)衍生反應(yīng)得到熒光信號(hào)的官能團(tuán)；熒光標(biāo)記有可能會(huì)造成分析物質(zhì)生化學(xué)活性的改變，影響結(jié)果的可信度3、質(zhì)譜檢測(cè)質(zhì)譜檢測(cè)l優(yōu)勢(shì)：優(yōu)勢(shì)：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(xué)研究中有難以替代的作用。l劣勢(shì)：劣勢(shì)：現(xiàn)行儀器體積龐大，價(jià)格昂貴，不符合芯片微型化的特

16、點(diǎn)，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(diǎn)與難點(diǎn)4、電化學(xué)檢測(cè)、電化學(xué)檢測(cè) 電化學(xué)檢測(cè)是通過(guò)電極將溶液中的待測(cè)物的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)組分檢測(cè)的分析方法。微流控芯片電化學(xué)檢測(cè)可分為安培法、電導(dǎo)法和電勢(shì)法安培法、電導(dǎo)法和電勢(shì)法。l優(yōu)勢(shì)：優(yōu)勢(shì)：靈敏度高，選擇性好，裝置簡(jiǎn)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(shì)：劣勢(shì)：被檢測(cè)物質(zhì)需要有電化學(xué)活性(安培 檢測(cè))，重現(xiàn)性較差。十一、微流控芯片的應(yīng)用十一、微流控芯片的應(yīng)用1、在核酸研究中的應(yīng)用、在核酸研究中的應(yīng)用 核酸研究的技術(shù)如DNA萃取萃取/純化、純化、PCR擴(kuò)擴(kuò)增、分子雜交、電泳

17、分離和檢測(cè)增、分子雜交、電泳分離和檢測(cè)等都可以在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)。 如今已有的應(yīng)用包括：基因突變檢測(cè)、基基因突變檢測(cè)、基因分型和因分型和DNA測(cè)序測(cè)序，就對(duì)象而言，病原體病原體的基因檢測(cè)的基因檢測(cè)應(yīng)用尤為廣泛。2、在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用、在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)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(yù)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(xiàn)衍生柱后衍生蛋白質(zhì)酶解固定化酶反應(yīng)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(yīng)用、在離子和小分子研究中的應(yīng)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(xué)檢測(cè)作為主要檢測(cè)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(jìn)行手性合成的研究處于研究階段 ，報(bào)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(yīng)和評(píng)估系統(tǒng)處于同一量級(jí)，具有發(fā)展高通量的潛力，目前已報(bào)道的集成模式有游離酶水相反應(yīng)游離酶水相反應(yīng)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