微流控芯片技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用和展望課件

2022/12/161微流控芯片技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用和展望2022/12/121微流控芯片技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用和展望2022/12/162微流控技術(shù)的定義微流控技術(shù)MicrofluidicsSpringer出版社將微（納）流控技術(shù)廣義定義為：在微（納）米尺度下的物質(zhì)傳遞、動(dòng)量傳遞、熱傳遞，以及在傳輸中的反應(yīng)過程的相關(guān)技術(shù)。FlowMap-MicrofluidicsRoadmapfortheLifeSciences一書中把微流控技術(shù)定義為：具備在納升至亞納升水平上操控流體，或具備利用流體與微結(jié)構(gòu)之間相互作用所產(chǎn)生的特有效應(yīng)的裝置的加工技術(shù)和相關(guān)科學(xué)?；ヂ?lián)網(wǎng)上百科全書Wikipedia中把微流控技術(shù)定義為：在微尺度和介觀尺度上研究流體行為，以及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的，由物理、化學(xué)、微加工與生物技術(shù)等學(xué)科組成的交叉領(lǐng)域。Microfluidic微流體MicrofluidicChip微流控芯片2022/12/122微流控技術(shù)的定義微流控技術(shù)Microf2022/12/163微流控芯片的發(fā)展歷史1990年瑞士Giba-Geigy公司的Manz與Widmer提出微全分析系統(tǒng)，并對(duì)微全分析系統(tǒng)的微小和全面進(jìn)行了論述1994年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ramsey等改進(jìn)了芯片毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣方法，提高了微流控芯片的實(shí)用性能2001年，LabonaChip（芯片實(shí)驗(yàn)室）雜志創(chuàng)刊，引領(lǐng)著世界范圍微流控芯片研究的發(fā)展2004年，美國(guó)Business2.0雜志將芯片實(shí)驗(yàn)室列為改變未來的七大技術(shù)之一2009年，中國(guó)科學(xué)家在微流控芯片領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)已居世界第二2022/12/123微流控芯片的發(fā)展歷史1990年瑞士Gi2022/12/164微流控芯片的高效率既來源于微米級(jí)通道中的高傳熱傳質(zhì)速率，也直接來源于結(jié)構(gòu)尺寸的縮小。很多生物領(lǐng)域和環(huán)境領(lǐng)域的樣品量非常低，微流控芯片既降低了分析費(fèi)用和貴重生物試樣的消耗，減少了環(huán)境的污染，也為微量、痕量物質(zhì)的高靈敏度檢測(cè)提供了極大的空間。微流控芯片將獨(dú)立并的多個(gè)行通道集成到一個(gè)單元操作系統(tǒng)內(nèi)，可以并行處理多個(gè)樣品。微流控芯片部件尺寸微小，為多個(gè)部件與功能集成在數(shù)平方厘米的芯片上提供了極大的可能性。2022/12/124微流控芯片的高效率既來源于微米級(jí)通道中2022/12/165微流控芯片常用材料晶體硅石英和玻璃2022/12/125微流控芯片常用材料晶體硅石英和玻璃2022/12/166高分子聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS聚碳酸酯PC聚甲基丙烯酸甲酯PMMA聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET2022/12/126高分子聚合物聚二甲基硅氧烷聚碳酸酯聚甲2022/12/1672022/12/1272022/12/168微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染的應(yīng)用一用于水體中重金屬檢測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)Greenwood和Greenway使用光刻法搭配濕法刻蝕技術(shù)，成功研制了一種微流控芯片．該芯片利用魯米諾發(fā)光的性質(zhì)，成功地對(duì)硝酸鈷進(jìn)行了測(cè)定，檢測(cè)最低限度為3×10-11mol/L。與此同時(shí)，通過簡(jiǎn)單的改造之后，該微全分析系統(tǒng)還能成為檢測(cè)過氧化氫或者二氧化氮的裝置，并可以與信號(hào)傳遞裝置結(jié)合起來，成為一種自帶無線信號(hào)發(fā)射功能的設(shè)備。Alves-Segundo使用發(fā)光二極管和光電二極管，搭配低溫共燒陶瓷，制造了一種基于光度檢測(cè)的連續(xù)流動(dòng)分析微芯片。2022/12/128微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染的應(yīng)用一2022/12/169Hossain和Brennan利用β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)在重金屬離子的抑制下會(huì)失去活性的性質(zhì)，配合其他的金屬指示劑，開發(fā)出了一種可以用來檢測(cè)多種重金屬的紙芯片(如左圖)，顯示了良好的靈敏度。2022/12/129Hossain和Brennan2022/12/1610二用于水體中營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定芯片系統(tǒng)

都柏林城市大學(xué)的McGraw等利用鉬酸銨與磷酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生特征黃色或黃綠色這一特點(diǎn)，研制了一種用于水體中磷酸鹽監(jiān)測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)．該系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)的發(fā)射裝置，可以在目標(biāo)區(qū)域的不同位置分別布置，對(duì)該區(qū)域的磷酸鹽污染狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)限最低為0.3mg/L。賈宏新等提出了一種三層雜交結(jié)構(gòu)微流控芯片［玻璃片/聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜/PDMS底片］，在玻璃片上加工微反應(yīng)通道，用PDMS加工氣體滲透膜和具有接受通道的PDMS底片，實(shí)現(xiàn)了溶液中NH4+

反應(yīng)、生成的氨氣擴(kuò)散分離、吸收、溴百里酚藍(lán)顯色和光度檢測(cè)在微流控芯片上的集成化。2022/12/1210二用于水體中營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定芯片系統(tǒng)2022/12/1611三用于水體中有機(jī)污染物分析芯片系統(tǒng)

水體中除含有無機(jī)污染物外，更大量的是有機(jī)污染物，它們以毒性和使水中溶解氧減少的方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康．因此有機(jī)污染物的數(shù)量是評(píng)價(jià)水體污染狀況的極為重要的指標(biāo)．這一類污染物由于其含量較低，通常需要進(jìn)行前期的預(yù)處理，微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以將前期的預(yù)處理以及后期的檢測(cè)進(jìn)行集成，并且具有較高的萃取/富集效率。2022/12/1211三用于水體中有機(jī)污染物分析芯片系2022/12/1612四用于水體中微生物檢測(cè)芯片系統(tǒng)流式細(xì)胞術(shù)原理的微流控芯片免疫分析原理的微流控芯片分子雜交原理的微流控芯片2022/12/1212四用于水體中微生物檢測(cè)芯片系統(tǒng)流2022/12/1613微流控芯片技術(shù)的展望微全分析系統(tǒng)微流控芯片分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室微流控芯片仿真實(shí)驗(yàn)室微流控芯片分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在其微型、可控的操作單元上對(duì)復(fù)雜的體系在系統(tǒng)層面上進(jìn)行分析，使“個(gè)人實(shí)驗(yàn)室”成為了可能。微流控芯片仿真實(shí)驗(yàn)室是以材料實(shí)驗(yàn)室和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，在一個(gè)幾平方厘米的芯片上模擬一個(gè)活體的行為，研究活體中整體與局部的關(guān)系，驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)生物學(xué)中奇特的流動(dòng)行為。基礎(chǔ)：微流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究2022/12/1213微流控芯片技術(shù)的展望微全分析系統(tǒng)微流2022/12/1614

現(xiàn)有技術(shù)水平的微流控芯片不僅可以監(jiān)測(cè)并分析水環(huán)境中諸多不同類別的污染物，比如重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)污染物，以及有害微生物等，還可以對(duì)微藻數(shù)量、ATP含量等進(jìn)行定量的分析。上述指標(biāo)都可以從不同角度反映出水環(huán)境的生態(tài)狀況，為進(jìn)一步的研究提供第一手的數(shù)據(jù)。因此，可以預(yù)計(jì)的是，微流控芯片將在不遠(yuǎn)的將來取代當(dāng)前分析實(shí)驗(yàn)室中的很多設(shè)備，并進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)區(qū)域等成為主流的污染監(jiān)測(cè)和生態(tài)分析工具，使便攜式“個(gè)人實(shí)驗(yàn)室”成為現(xiàn)實(shí)。2022/12/12142022/12/16152022/12/12152022/12/1616微流控芯片技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用和展望2022/12/121微流控芯片技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用和展望2022/12/1617微流控技術(shù)的定義微流控技術(shù)MicrofluidicsSpringer出版社將微（納）流控技術(shù)廣義定義為：在微（納）米尺度下的物質(zhì)傳遞、動(dòng)量傳遞、熱傳遞，以及在傳輸中的反應(yīng)過程的相關(guān)技術(shù)。FlowMap-MicrofluidicsRoadmapfortheLifeSciences一書中把微流控技術(shù)定義為：具備在納升至亞納升水平上操控流體，或具備利用流體與微結(jié)構(gòu)之間相互作用所產(chǎn)生的特有效應(yīng)的裝置的加工技術(shù)和相關(guān)科學(xué)?；ヂ?lián)網(wǎng)上百科全書Wikipedia中把微流控技術(shù)定義為：在微尺度和介觀尺度上研究流體行為，以及相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的，由物理、化學(xué)、微加工與生物技術(shù)等學(xué)科組成的交叉領(lǐng)域。Microfluidic微流體MicrofluidicChip微流控芯片2022/12/122微流控技術(shù)的定義微流控技術(shù)Microf2022/12/1618微流控芯片的發(fā)展歷史1990年瑞士Giba-Geigy公司的Manz與Widmer提出微全分析系統(tǒng)，并對(duì)微全分析系統(tǒng)的微小和全面進(jìn)行了論述1994年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ramsey等改進(jìn)了芯片毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣方法，提高了微流控芯片的實(shí)用性能2001年，LabonaChip（芯片實(shí)驗(yàn)室）雜志創(chuàng)刊，引領(lǐng)著世界范圍微流控芯片研究的發(fā)展2004年，美國(guó)Business2.0雜志將芯片實(shí)驗(yàn)室列為改變未來的七大技術(shù)之一2009年，中國(guó)科學(xué)家在微流控芯片領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)已居世界第二2022/12/123微流控芯片的發(fā)展歷史1990年瑞士Gi2022/12/1619微流控芯片的高效率既來源于微米級(jí)通道中的高傳熱傳質(zhì)速率，也直接來源于結(jié)構(gòu)尺寸的縮小。很多生物領(lǐng)域和環(huán)境領(lǐng)域的樣品量非常低，微流控芯片既降低了分析費(fèi)用和貴重生物試樣的消耗，減少了環(huán)境的污染，也為微量、痕量物質(zhì)的高靈敏度檢測(cè)提供了極大的空間。微流控芯片將獨(dú)立并的多個(gè)行通道集成到一個(gè)單元操作系統(tǒng)內(nèi)，可以并行處理多個(gè)樣品。微流控芯片部件尺寸微小，為多個(gè)部件與功能集成在數(shù)平方厘米的芯片上提供了極大的可能性。2022/12/124微流控芯片的高效率既來源于微米級(jí)通道中2022/12/1620微流控芯片常用材料晶體硅石英和玻璃2022/12/125微流控芯片常用材料晶體硅石英和玻璃2022/12/1621高分子聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS聚碳酸酯PC聚甲基丙烯酸甲酯PMMA聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET2022/12/126高分子聚合物聚二甲基硅氧烷聚碳酸酯聚甲2022/12/16222022/12/1272022/12/1623微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染的應(yīng)用一用于水體中重金屬檢測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)Greenwood和Greenway使用光刻法搭配濕法刻蝕技術(shù)，成功研制了一種微流控芯片．該芯片利用魯米諾發(fā)光的性質(zhì)，成功地對(duì)硝酸鈷進(jìn)行了測(cè)定，檢測(cè)最低限度為3×10-11mol/L。與此同時(shí)，通過簡(jiǎn)單的改造之后，該微全分析系統(tǒng)還能成為檢測(cè)過氧化氫或者二氧化氮的裝置，并可以與信號(hào)傳遞裝置結(jié)合起來，成為一種自帶無線信號(hào)發(fā)射功能的設(shè)備。Alves-Segundo使用發(fā)光二極管和光電二極管，搭配低溫共燒陶瓷，制造了一種基于光度檢測(cè)的連續(xù)流動(dòng)分析微芯片。2022/12/128微流控芯片技術(shù)在水環(huán)境污染的應(yīng)用一2022/12/1624Hossain和Brennan利用β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)在重金屬離子的抑制下會(huì)失去活性的性質(zhì)，配合其他的金屬指示劑，開發(fā)出了一種可以用來檢測(cè)多種重金屬的紙芯片(如左圖)，顯示了良好的靈敏度。2022/12/129Hossain和Brennan2022/12/1625二用于水體中營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定芯片系統(tǒng)

都柏林城市大學(xué)的McGraw等利用鉬酸銨與磷酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生特征黃色或黃綠色這一特點(diǎn)，研制了一種用于水體中磷酸鹽監(jiān)測(cè)的微流控芯片系統(tǒng)．該系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)的發(fā)射裝置，可以在目標(biāo)區(qū)域的不同位置分別布置，對(duì)該區(qū)域的磷酸鹽污染狀況進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)限最低為0.3mg/L。賈宏新等提出了一種三層雜交結(jié)構(gòu)微流控芯片［玻璃片/聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜/PDMS底片］，在玻璃片上加工微反應(yīng)通道，用PDMS加工氣體滲透膜和具有接受通道的PDMS底片，實(shí)現(xiàn)了溶液中NH4+

反應(yīng)、生成的氨氣擴(kuò)散分離、吸收、溴百里酚藍(lán)顯色和光度檢測(cè)在微流控芯片上的集成化。2022/12/1210二用于水體中營(yíng)養(yǎng)鹽測(cè)定芯片系統(tǒng)2022/12/1626三用于水體中有機(jī)污染物分析芯片系統(tǒng)

水體中除含有無機(jī)污染物外，更大量的是有機(jī)污染物，它們以毒性和使水中溶解氧減少的方式對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害人體健康．因此有機(jī)污染物的數(shù)量是評(píng)價(jià)水體污染狀況的極為重要的指標(biāo)．這一類污染物由于其含量較低，通常需要進(jìn)行前期的預(yù)處理，微流控芯片的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以將前期的預(yù)處理以及后期的檢測(cè)進(jìn)行集成，并且具有較高的萃取/富集效率。2022/12/1211三用于水體中有機(jī)污染物分析芯片系2022/12/1627四用于水體中微生物檢測(cè)芯片系統(tǒng)流式細(xì)胞術(shù)原理的微流控芯片免疫分析原理的微流控芯片分子雜交原理的微流控芯片2022/12/1212四用于水體中微生物檢測(cè)芯片系統(tǒng)流2022/12/1628微流控芯片技術(shù)的展望微全分析系統(tǒng)微流控芯片分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室微流控芯片仿真實(shí)驗(yàn)室微流控芯片分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在其微型、可控的操作單元上對(duì)復(fù)雜的體系在系統(tǒng)層面上進(jìn)行分析，使“個(gè)人實(shí)驗(yàn)室”成為了可能。微流控芯片仿真實(shí)驗(yàn)室是以材料實(shí)驗(yàn)室和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，在一個(gè)幾平方厘米的芯片上模擬一個(gè)活體的行為，研究活體中整體與局部的關(guān)系，驗(yàn)證和發(fā)現(xiàn)生物學(xué)中奇特的流動(dòng)行為?；A(chǔ)：微流體力學(xué)的基礎(chǔ)研究2022/12/1213微流控芯片技術(shù)的展望微全分析系統(tǒng)微