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1、微流控芯片实验室,主要内容,什么是微流控芯片实验室微流控实验室的特点微尺度下的特殊效应微流控芯片实验室的发展趋势微流控芯片的功能化微流控芯片的制备微流体的驱动与控制微流控芯片的检测器微流控芯片的应用,微流控芯片实验室,Miniaturized Total Analysis System,-TAS Lab on a chip,微流控芯片实验室,把各种基本操作单元(细胞培养、分选、裂解,样品制备、反应、分离、检测等)集成到一块几平方厘米的芯片上;由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统;取代常规生物或化学实验室的各种功能。微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和规
2、模集成。,芯片,实验室,微流控,微通道代替试管、烧杯、其它玻璃容器,微通道代替液体量具,微混合器,微恒温反应器,微进样器,微分离器,微检测器,芯片实验室,微反应功能,高通量分离,燃料电池,细胞分析,材料合成,生物传感,其它,JPC B,2006,110,3856,Anal.Chem.2005,77,7122,Adv Mater,2005,17,2911,免疫分析,（微加工、）,Science，1999，285，83,Science，1999,285,83-85,JACS,2005,127,16758,微/纳流控：77篇,微流控芯片与“生物芯片”,微流控芯片实验室以微流控技术为基础，它有别于另一
3、类以静态亲和杂交技术为核心的微孔板芯片，后者通常被称之为“生物芯片”，以DNA芯片为典型代表。,“生物芯片”,采用光导原位合成或微量点样等方法，将生物样品（核酸片段、多肽分子、组织切片、细胞）有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。,在1cm2面积上可喷射10000个点。,微阵列(生物）芯片,微流控芯片,微流控芯片与微阵列(生物)芯片的比较,微流控芯片实验室的发展,瑞士Ciba-Geigy公司的Manz与Widmer在1990年提
4、出芯片实验室或称微全分析系统，强调“微”与“全”。所以把-TAS看作是化学分析仪器的微型化。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，借电渗流实现了混合荧光染料样品注入和成功电泳分离。1994年始，美国橡树岭国家实验室Ramsey3在Manz的工作基础上发表了一系列论文，改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，引起了更广泛的关注。1995年美国加州大学的Mathies等在微流控芯片上实现了DNA等速测序，微流控芯片的商业开发价值开始显现，而此时微阵列型的生物芯片已进入实质性的商品开发阶段。同年9月，首家微流控芯片企业Caliper Te
5、chnologies公司在美国成立。,1996年Mathies又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应（PCR）扩增与毛细管电泳集成在一起，展示了微全分析系统在生物医学研究方面的巨大潜力。与此同时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也加紧进行。1998年之后，专利之战日益激烈，一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪生产厂家合作，Agilent与Caliper联合利用各自的技术优势推出首台这方面的分析仪器Bioanalyzer2100及相应的分析芯片，其它几家厂商也于近年开始将其产品推向市场。,据不完全统计，目前全世界已至少有30多个重要的实验室（包括MIT，Stanford大学、加州大学柏史
6、莱分校、美国橡树岭国家实验室等）在从事这一领域的开发和研究。,微流控芯片实验室与毛细管电泳,微流控芯片实验室的最早期形式是芯片毛细管电泳，芯片毛细管电泳至今仍是芯片实验室中分离部分的主体。,我国在mTAS领域的研究状况,我国于2001年启动了十五重大项目微流控生物分析系统基础研究，已经于2006年结题；为实现2008年科技奥运，我国科技部于2002年启动了兴奋剂微流体生物芯片工程；2002，2004，2005，2007年我国已举办了四届微全分析系统年会，今年将举办第五届年会（南大）。2007年，启动973计划-微流控学在化学和生物医学中的应用基础研究,微全分析系统的发展方兴未艾，世界各国都在抢
7、占这一高科技领域的创新点和制高点,微流控芯片实验室的近期定位,微流控芯片实验室是微纳米技术的重要组成部分，也是系统生物学研究的主要技术平台之一，有重大应用前景，尚未真正产业化。2004年9月美国Business 2.0杂志的封面文章称，芯片实验室是“改变未来的七种技术”之一。,微流控芯片实验室的基本特征,多种单元技术在微型平台上的灵活组合和规模集成 通道尺寸：微米亚微米 两维三维 成百上千个单元部件,3574个微阀、1024个微反应器微通道芯片尺寸：3.3mm6mm,大规模集成的微液路芯片,集成化,在一个半径仅为8厘米长的圆盘上集成了384个通道的电泳芯片。他们在325秒内检测了384份与血色
8、病连锁的H63D 突变株（在人HFE基因上）样品，每个样品分析时间不到一秒钟。,分析速度快高通量,每个分析样品所消耗的试剂仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积只需纳升级或皮升级（仅通常用量的百分之一甚至万分之一或更少）。,能耗低，物耗少，污染小。,化学反应芯片而言，由于化学反应在微小的空间中进行，反应体积小，分子数量少，反应产热少，又因反应空间体表面积大，传质和传热的过程很快，所以比常规化学反应更安全。而分析芯片因污染小，而且可采用可降解生物材料，所以更环保和安全。,廉价，安全,芯片实验室的要素,芯片实验室是富有一定功能的，功能化芯片实验室大体包括三个部分：一是芯片；二是分析仪，包括驱动源
9、和信号检测装置；三是包含有实现芯片功能化方法和试剂盒。,芯片,一是芯片尺寸；二是芯片材料。现有典型的芯片约为几个平方厘米，一般的通道尺寸为10100m宽，530m深，长度约为310cm。其通道总体积较一般电泳毛细管小一个数量级左右约纳升级（10-9 L）。可用于芯片的材料最常见的为玻璃，石英和各种塑料。玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，可用比较熟悉的化学方法进行表面改性，加工成本较高，封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚碳酯（PC）等，它们成本低，可用物理或化学方法进行表面改性，制作技术和
10、玻璃芯片有较大的区别。,芯片的驱动力,样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用，这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。,芯片实验室发展趋势,1芯片制造由手工为主的微机电(MEMS)技术生产逐渐朝自动化、数控化的亚紫外激光直接刻蚀微通道方向发展。2、将泵、阀、管道、反应器等集于一体，呈高度集成化。最具代表性的工作是美国Quake研究小组将三千多个微阀、一千个微反应器和一千多条微通道集成在尺寸仅有几十个平方毫米面积的硅质材料上，完成了液体在内部的定向流动与分配。,3用于芯片实验室制造的材料呈现出多样式，朝着越来越便宜的方向发展。由最初的价格昂贵的玻璃和硅片为材料，发展
11、成为以便宜的聚合物材料，如聚二甲基硅烷（PDMS）、聚甲基异丁烯酸（PMMA）和聚碳酸酯（PC）等。因而，为将来的一次性使用提供了基础。,4由于不同样品分离检测的需要，分离通道表面的改性呈现出多样性发展。用磺化、硝化、胺化及把带双官能团的化合物耦合到表面的胺基上的办法加以修饰可获得各种分子组分的表面；用EDA、PDA、CAB、SPH及有机硅烷和无机氧化物等26-29加以修饰微通道表面，以改善吸附特性，改变疏水性和控制电动力学效应以提高分离效率。,5 芯片实验室的驱动源从以电渗流发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段。一种利用离心力的芯片已经商品化，被称为Lab-on-a-CD，因
12、为该芯片形状象一个小CD盘。6 芯片实验室的检测技术朝着多元化发展。目前最常用的检测器是荧光和电化学检测器。随着固态电子器件的发展，一些传统的检测方法也进入这一领域，如采用半导体微波源的MIPAES检测、不需标记的SPR检测、快速阻抗谱（FIS）检测、NIR时间分辨荧光检测。,7应用方向：芯片实验室已从主要应用的生命科学领域扩展到其它领域。例如用于DNA、RNA、蛋白质等方向分析检测，还用于化学和生物试剂、环境污染的监测；监控微秒级的化学和生物化学反应动力学；用于许多化学合成反应的研究，药物和化学合成与筛选等31。因此，芯片实验室不仅为分析化学家，也为合成化学家特别是药物合成化学家打开了通往无
13、限美好明天的大门。,8芯片实验室产业化发展越来越明显、越快速。由于它的基础研究和技术研究越来越专和精，使整体技术发展速度加快，再加之它朝着检测功能化方面发展，其应用前景越来越广。因此，产业化前景看好，有可能成为新的经济增长点。,一.微尺度下的特殊效应,层流效应扩散效应传热效应,（一）、层流效应,微流控分析系统中通道尺度的减小，带来的主要变化是其通道内的流体易形成层流流动状态。,Re2000时，液体流动表现为层流。微米级通道内以较低流速流动的稀溶液，其雷诺数Re远小于1，故流体总是表现为稳定的层流状态。尽管可以互溶的液体，也不会因对流而混合。层流效应在微流控分析系统中应用广泛试样前处理：无膜过滤
14、、渗析、萃取进样系统：夹流进样、门式进样相间反应,利用层流作用的加流进样,A 十字进样通道B 加流进样荧光成像图C 简单进样荧光成像图,（二）、扩散效应,宏观尺度下，分子或粒子的扩散效应通常可忽略，而微尺度下，分子或粒子的扩散效应变得较显著，例如:H+是扩散系数最大的粒子，扩散10m仅需10ms，而迁移1cm，则需104s。而且，一定温度下，溶剂黏度一定时，不同大小的微粒，扩散系数不同。小体积微粒扩散系数大，扩散快。微系统中的层流与扩散效应是多相层流扩散分离技术的基础。,（三）、传热效应,微系统中通道尺度的减小，对于提高传热速率非常有利。根据Fick定律，对于矩形通道，体系散热时间与通道深度的
15、平方成正比。假设体系周围环境的热容无穷大，在微尺度下，加热和冷却可在短时间内完成。,由于高场强往往产生过多的焦耳热，在常规的毛细管电泳中，其散热效果较差，分离效率降低。而在微流控芯片中，由于芯片微通道的截面呈长方形或梯形，截面的面积体积比大，且基片的大面积散热作用好，使得芯片毛细管可以在高强场下进行高效、快速的分离。,如果尺寸到亚微米甚至纳米级,把通道的深度做到亚微米甚至纳米级，比如 80nm，这种情况下电泳淌度就变得和横截面尺寸有关。由于双电层电荷的重叠，电渗减少，因此将影响给予液体的动量，空间的压缩将会改变大分子的形状，大分子的淌度也将受到非平面流速矢量场的影响。,二、微流控芯片实验室的功
16、能化,市场对微流控芯片实验室的基本要求是它的功能化。功能化分通用型和专用型两类。功能化芯片实验室系统包括:控制-检测系统 芯片 试剂盒(内含有实现芯片功能化的方法和材料),用于高通量免疫分析的芯片(24通道),Anal.Chem.2004,76,1832-1837,1 废液;2检测区;3，第一抗体;4,6,8,10,清洗;5,阻滞蛋白;7,抗原/样品;9,第二抗体;11,底物,三、微流控分析芯片的制作,硅材料玻璃和石英高分子聚合物,材料,1、硅材料,由于在微电子领域硅的微细加工技术已趋于成熟，故其首先被用于制作微流控分析芯片。硅材料的缺点是易碎、价格贵、不透光、电绝缘性能不够好、表面化学行为复
17、杂，这些缺点限制它更广泛的应用，主要用于加工微泵、微阀等液流驱动和控制元器件。,2、玻璃和石英,玻璃和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，且其表面性质（湿润能力、表面吸附和表面反应性等）都有利于使用不同的化学方法对其进行表面改性。故此，玻璃和石英材料已广泛地应用于微流控芯片的制作。,3、高分子聚合物,高分子材料种类多、加工成型方便、价格便宜等，非常适合于大批量制作一次性微流控芯片。选择适用的聚合物材料时应注意：有良好的光学性质容易被加工分析条件下应为惰性有良好电绝缘性和热性能表面可进行合适的修饰改性,1.聚二甲基硅氧烷（PDMS)2.聚碳酸酯（PC)3.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)4.聚乙烯
18、（PE),常用的高分子材料,聚二甲基硅氧烷（PDMS）也称硅橡胶，现已广泛的应用于微流控分析芯片的制作，它具有以下特点：能可逆和重复变形而不发生永久性破坏能用模塑法高保真地复制微流控芯片能透过300nm以上的紫外和可见光耐用且有一定的化学惰性无毒，价廉,聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片,（二）、微流控分析芯片的制备方法,光刻和蚀刻技术高分子聚合物芯片的制备快速打印芯片的制作,1、光刻和蚀刻技术,微流控分析芯片上微通道的制作，起源于制作半导体及集成电路芯片所广泛应用的光刻和蚀刻技术。它利用光胶、掩模和紫外光进行微制造，工艺成熟，现已广泛地用于硅、玻璃和石英基片上微结构的制作。光刻和蚀刻技术由薄膜沉
19、积、光刻和刻蚀三道工序组成。,光刻和蚀刻的三道基本工序,光刻和刻蚀技术,Anal.Chem.1994,66,177-184,2、高分子聚合物微流控芯片的制备,模塑法热压法LIGA法激光烧蚀法,2.1 模塑法,Anal.Chem.1998,70,4974-4984,2.3 LIGA法,Polymer Testing 20(2001)693-701,2.4 激光烧蚀法,Anal.Chem.1997,69,2035-2042,3、快速打印芯片,快速打印的制作：绘图软件设计芯片构型、打印、热压层合、封塑。,a 样品池；b 缓冲溶液池；c 十字进样区；w 废液池；d 封塑膜,快速打印芯片的制作,快速打印
20、芯片的优点,无需模板，构型任意设计设备简单，对加工环境要求很低制作快速，简单成本极低,芯片制作技术的发展方向,材料多样化制作方法的简单化降低制作成本提高制作速度,三、微流体的驱动和控制,微流控芯片实验室的主要特征是通过对微通道内流体的操控，完成芯片系统的实验室工功能。研究与微通道相适应的微流体驱动技术是实现微流体控制的前提和基础。,（一）、微流体的驱动方法,目前，根据不同的致动和驱动原理，产生了多种微流体驱动方式。,微阀微泵的分类,微阀微泵研究进展,压电微阀泵相变微阀凝胶微阀整体柱阀转矩微阀气动阀泵,Quake组Mathies组,通过MEMS方法在硅片上刻蚀出阀的位置，然后安装压电晶片，最大流
21、速能达到100ul/min,缺陷：加工方法非常复杂 阀泵死体积很大 不适宜于微流控芯片,压电微阀泵,Sensor Actuators A,1990,21:203-206,Burns等在玻璃芯片上通过石蜡的相变来控制流动的可重复使用的阀,相变阀,Anal.Chem.2004,76,3740-3748,Motorola集成了样品前处理,细胞裂解、PCR、检测等功能单元,其中阀是通过腊在受热时候的不同相变实现其功能,相变阀,Anal.Chem.2004,76,1824-1831,Fan等在玻璃芯片通道中固定了一段水凝胶,在电场力的作用下可以通过液流,凝胶微阀,Anal.Chem.2003,75,45
22、91-4598,Ernest等在通道中集成了可移动的整体柱阀 阀的材料为trifluoroethyl acrylate/1,3-butanediol diacrylate,整体柱阀,Anal.Chem.2002,74,4913-4918,整体柱阀,Anal.Chem.2005,77,2997-3000,2002年Quake工作中阀和泵的大规模集成,Microfluidics offers the possibility of solving similar system integration issues for biology and chemistry,共集成了3574个阀和1000多个
23、泵而1946年的ENIAC I型计算机也仅仅有19000个真空管，却重达30吨,Science 298:580-584(2002),Nature Biotechnology Vol 21 No.10 Oct 2003,微泵阀发展趋势,1、离心力驱动系统,离心力驱动系统是利用芯片在微电机带动下作圆周运动所产生的离心力作为液流的驱动力。通过改变芯片的旋转速度和设计不同的通道构型可调节和控制流体的流速。,离心驱动微流控芯片,A:微流控通道构型设计；B:离心微流控芯片的掩模；C:PDMS-PMMA离心驱动微流控芯片Anal.Chem.1999,71,4669-4678,2、重力驱动系统,Anal.Ch
24、im.Acta.507(2004)129135,3、电渗驱动系统,电渗驱动是微流控芯片分析系统中应用最广的驱动和控制系统。它利用微通道表面存在的固定电荷进行驱动。,电渗流（EOF)的产生,在芯片微管道中，一定的pH条件下，微管道与液流的界面上形成双电层结构，在通道两端施加高压，带电荷的界面在电场作用下运动，继而带动通道内的溶剂，产生电渗流。,优势：电渗流直接驱动液流，可实现无阀无机械部件的微流控操作，操作方便易行，且液流流动呈扁平流型，无脉动，是目前所有驱动方式中应用最广泛的一种驱动方式。局限性：驱动需要高压，只能驱动能产生电渗流的介质，通道中不能有气泡，泵压与通道内阻有关，且电渗过程受多种因
25、素的影响。,（二）、微流体的控制,微通道构型对微流体的控制 包括进样、微混合器、弯道效应的消除表面性质改变在微流体控制中的作用,电动力系统、液/气压系统、离心力系统等在u-TAS中的应用有其固有的局限性；表面性质的局部变化调控液流具有诸多优点，将是m-TAS理想的控流技术；这种非动力技术可由热、化学或电化学方法调控。,1、微通道构型对流体控制进样过程,不同的构型完成不同的进样模式,1,2,3,4,S,S,十字通道进样,双T通道进样,弯道效应的消除,一般的弯管道,弯道效应的消除,2、通道表面改性在微流体控制中的作用,通过利用或改变通道表面性质进行流体控制是一种较为常用的微流控方法，该法具有操作简
26、单，无需外加设备，不会增加芯片系统的体积。改变通道内表面性质的常规方法有两类：化学键合或物理键合进行永久改性添加剂动态修饰核心：通过改变通道内壁表面电荷密度和极性，改变电渗流的大小和方向。,五、微流控芯片的检测器,光学检测器电化学检测器质谱检测器,一、光学检测器,六、微流控芯片的应用,在生物医学领域中的应用 临床血细胞分析 核酸分析 蛋白质分析 药物分析 小分子分析化学有机合成,微流控反应器的优势,高比表面积特殊的流体形式，有效传质分子扩散距离短，高反应速率高效热传递，有利于控制反应温度浓度恒定，高效反应反应安全,六.微流控芯片实验室发展趋势,芯片制造的自动化、数控化将泵、阀、管道、反应器等集于一体，呈高度集成化。芯片材料多样化，成本降低化分离通道表面的改性多样性检测技术的多元化应用领域的扩大化芯片实验室的产业化,Analytical Chemistry,Vol.76,No.7,April 1,2004,非机械性微泵/微阀,三维调节器,有机玻璃支架,芯片电泳-电化学检测系统示意图,谢谢！,
