图解微流控芯片实验室
---------读书报告
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内容提要
绪论 芯片材料与制作技术 表面改性技术 微流体驱动与控制技术 进样与预处理 微混合与微反应 微分离技术 液滴技术 检测技术 应用
核心技术
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一、认识微流控芯片实验室
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1、什么是微流控芯片实验室
微流控芯片实验室又叫微流控芯片或芯片 实验室。
包括电渗控制和微阀控制。
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微阀控制
特征：低泄露、低功耗、速度快、线 性范围广、适应面广。
举例：双晶片单向阀
原理图
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六、进样和样品预处理技术
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1、芯片实验室各种进样方式一览
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A、简单进样
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B、悬浮进样
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C、压缩进样
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D、门进样
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2、样品预处理
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七、微混合和微反应技术
电渗驱动：电渗驱动是当前微流控芯片中应用最广 泛的一种流体驱动技术。
优势：构架简单、操作方便、流行扁平、无脉动等。 劣势：易受外加电场强度、通道表面、微流体性质
及传热效率等因素影响，稳定性相对较差。
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2、微流体控制
微流体控制是微流控芯片实验室的操作核 心，在微流控芯片实验室所涉及的进样、 混合、反应、分离、检测等过程都是在可 控流体的运动中完成的。微流体控制主要
2、微反应和微反应器
微反应技术是一种将微结构内在的优势 应用到反应过程的技术，体现这种技术的 设备或器件被称为微反应器。微反应器是 一种单元反应界面尺度为微米量级的微型 反应器。
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3、微流控芯片实验室的最终目标：
使实验设备小型化，家庭化，最终实现 检测等仪器的普及化，从根本上改善人类 生存质量。
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二、微尺度下的流体
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1、微尺度下流体的特征：
微尺度下流体的最主要特征是层流和电渗
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2、层流
判断流体流动是层流还是湍流要看雷诺系数Re
惯性力 Re 黏性力
Re小于2000是层流，大于4000是湍流，在微流体 流动过程中，惯性力影响很小，黏性力起主导 ，Re
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1、微混合
由于一般微流控装置流体状态以层流为主，
因此微流控的微混合主要依靠扩散
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提高层流条件下混合效率的主要原则为：
拉伸或折叠流体以增大流体的接触面积； 利用分散混合设计，通过管路几何交叉设
计将大的液流拆分并重新组合，从而减小 液流厚度，实现更有效混合。
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微混合器的分类汇总
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t为达到稳态的时间，l为传质距离，D为扩散系数
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4、电渗
电渗是一种流体相对于带点管壁移动的现象，电渗的产生 和偶电层有关。在pH>3的条件下，微通道内壁通常带负电 （表面电离或吸附），于是表面附近的液体中形成了一个 带正电的偶电层（stem层和扩散层），在平行于内壁的外 电场作用下，偶电层中的溶剂化阳离子或质子引起微通道 内流体朝着负极方向运动
电渗流测定（可反映表面的电荷情况）
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五、微流体驱动与控制技术
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1、常见流体驱动技术分类
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机械驱动包括：离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱 动。
PDMS气动微泵驱动
常规状态下，阀门敞开 施加动力鼓入空气，薄 膜在气体压力下发生形 变，堵塞通道。撤销压 力，恢复原状。三个阀 依次如图顺序开启闭合 便可驱动流体流动。
b、共价偶联：利用等离子体、紫外、臭氧等物理方法完成如下反应
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c、聚合诱导接：
d、吸附-交联：
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5、表面改性的表征技术
表面红外漫反射吸收光谱（可以快速测量表面化学组
成变化）
原子力显微镜（直接观察表面分子，考察表面欧联的聚合物
分子层状况）
荧光照片（可测试表面连接聚合物涂层对表面蛋白的吸附情况） 是zeta电势，ε 是介电常数，Φ 是外电场， μ 是流体粘度
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电渗驱动的特点：
流速大小可由外电场线性调节 外加电场电极可以集成在芯片上，从而缩
小了芯片流体驱动系统体积 各种芯片材料都可以诱导电渗流 流体前沿为扁平状
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三、芯片材料和芯片制作技术
高分子聚合物芯片的制作技术主要包括热 压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、 LIGA法和软刻蚀法等。
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四、表面改性技术
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1、为什么要表面改性
微流控芯片中比表面积大，表面效应显著， 表面重要性被强化。
微流控芯片材质多样，增加了芯片表面的 复杂性。
微流控芯片中的芯片分离、反应和细胞培 养等单元技术对表面性质的需求不同。
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2、改性目的
减小表面非特异性作用 增强表面特异性作用 提高表面稳定性
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3、表面改性的方法分类
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4、不同材质芯片的改性方法分类
1）玻璃、石英
动态改性 静电引力
静态改性
硅烷化反应
聚丙烯酰胺
常用于核酸、蛋白质电泳
聚乙烯醇 25 常用于小分子快速分析
2）PDMS
a、本体掺杂：在预聚体中引入特殊性质分子
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压电微泵驱动
向压电双晶片施加方波信号时,压电双晶片在电场的作用 下发生周期性弯曲变形,进而驱动PDMS泵膜改变腔体的 容积。当压电双晶片带动泵膜向上移动时,泵腔体积增大, 腔内流体的压强减小,使入口阀打开,同时出口阀关闭,流体 在压差的作用下流入泵腔。
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非机械驱动包括：电渗驱动、热气微泵驱动、光学 捕获微泵
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1、制作材料
常用的芯片材料有单晶硅片、石英、玻璃 和有机聚合物如PMMA、PDMS、PC以及 水凝胶，他们具有良好的生化相容性、光 学性能，其表面具有良好的可修饰性。下 表为常见芯片制作材料的基本性能。
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2、芯片的制作
玻璃等芯片制作的主要步骤包括：涂胶、 曝光、显影、腐蚀和去胶。
大约在10-6~10，远小于2000，所以是典型的层 流。
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层流提供了在微小空间内控制样品浓度、宽度、温度等指标的可 能性，是微流控芯片得以实现强大功能并且具有宽广应用面的重要原 因
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3、传质
由于流体在微通道中以层流形式运动，层 与层之间的质量传递主要依靠扩散，扩散 传质的公式为： 2t=l2/D
它将生物和化学领域所涉及的基本操作单 元集成在一块几平方厘米的芯片上。操作 单元尺寸在微米量级。
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如图所示，微流控芯片的基本构成是各 种储液池及联接他们构成体系的微通道网 络。
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2、微流控芯片实验室的优势：
将多种单元技术在整体可控的微小平台上 灵活组合、规模集成。
大幅缩短样品处理时间。 显著提高分辨率/灵敏度。 大幅降低消耗和成本。