1、微流控芯片技术及其应用,Micofluidic chip and its applications,What?,微流控芯片(Micofluidic chip)又称芯片实验室，是利用微加工技术在芯片上制做微阀、微通道、微反应器、微传感器、微检测器等功能单元而构成的微型化学系统。 在该系统中可完成样品的前处理、化学反应、分离、检测等功能。 1-2 体现“微型化、集成化及自动化”思想。,承载不同功能的微流控芯片支撑芯片流体控制的信号采集、控制和检测装置完成芯片功能的试剂盒（试剂盒内包含实现芯片功能化的方法和材料）,what?,7,How?,微流控理论 微流控技术对流体的操作和分析是在微米级结构内进行
2、的。在小尺寸内，流体的惯性效应可以忽略，黏度开始显现并扮演着非常重要的角色，随机、无序的流体在较小的设备中变成了更为平滑的流体（层流），此时的流体可以定义为一种在切应力的作用下发生持续变形的材料。层流是微流体决定性的特征。,How?,微流控理论 微流控体系含有三种类型的质量传输过程：对流、扩散和迁移，通常三种质量的传输过程同时存在。设计质量传输过程可控的微流控体系是非常重要的。 对流可由不同作用力产生，如毛细管效应、热差、重力、机械泵、加压气囊。 迁移是分子在电场中体系质量的传输。 扩散是流体中的一种分子存在浓度差而产生的。,How?,流体驱动方法：压力驱动和电渗驱动。,压力驱动,电渗驱动,H
3、ow?,微型阀：被动阀和主动阀。 被动阀利用装置一侧的压力阻止液体流过装置，而另一侧的压力使隔膜打开，允许流体流过装置； 主动阀需要一个加速器产生制动力来实现微阀的开关和切换。,被动单向阀（上图为关闭状态，在右侧施加压力，使隔膜处于平伏；下图为打开状态，在左侧施加压力使隔膜处于抬起）,Why?,1、仪器小型化，多种单元技术在微小可控平台上的灵活组合，规模集成，使用方便；2 、试剂用量少、 分析速度快、工作效率高、自动化程度高；3、分析费用大大降低,从而为分析测试技术普及到户外、家庭开辟了一条新路。,样品制备与富集样品注入与控制样品混和与反应样品分离信号检测,where?,微流控芯片常与微时代的
4、其他代名词如蛋白质组学、基因组学、组合化学、药物开发、超高通量印迹、大量平行合成、甚至生物资讯等密切地联系在一起。已应用于多种生化分析，如生物医学领域的DNA测序、基因分析、蛋白质分析及药物学领域里新药的发现和组合化学。5,6。,where?,细胞分选：微流控芯片用于细胞的分类计数，具有很好的重现性，并且可以检测到直径小到0.6m的细胞。现在一些学者正在研究基于阻抗、荧光、和激光等对芯片进行检测，例如：光学动力可用于迅速灵活地控制细胞在微流控芯片上的路径；不同导电性细胞流过计数器，引起电阻抗的变化。利用阻抗建立了红细胞的计数方法。目前已成功利用完全的光学开关，即时筛选和评价了一个荧光活性的微流
5、控细胞；,where?,组合合成-药物筛分 组合合成是在很小的区域内短时间构建大量化合物简而有力的一种途径。例如，通过32次反复的寡核苷酸的合成，可以在大约一天的时间内合成所有65536个包含8个单元的寡糖。这些化合物每一个都被很好地定域在微阵列或生物芯片的一个区域。同样，组合途径可用于缩氨酸的合成，创建一个任意长度的缩氨酸的分类。将组合产品的有限列阵与微试样和微分离技术相结合很有可能产生自动的有机合成器，该合成器对新药的开发是非常有利的。,where?,组合合成-药物筛分 目前在制药和生物技术领域，用于治疗老人痴呆症，肺结核和炎症紊乱的先导化合物还处在流水线上，而用于治疗痛疼、癌症、癌细胞的
6、多向性抗药、艾滋病、狼疮和哮喘的组合药物已处在临床试验阶段。,where?,药物筛分 中国科学院大连物理研究所3自制了用于高内涵筛选的微流控芯片，将细胞培养、药物浓度梯度生成、细胞受激和细胞响应等过程完全集成在一块几平方厘米的芯片上，一次运行可同时产生64种药物作用细胞条件，并可获得192个细胞响应结果。,where?,药物筛选,where?,利用该芯片同时分析了药物作用后细胞线粒体膜电势变化、细胞核变化、细胞膜变化以及细胞内氧化-还原状态变化。结果显示：不同药物诱导细胞凋亡呈现不同剂量效应。 该项工作体现了微流控芯片的多种单元技术灵活组合和规模集成的特点，与传统的多孔板技术相比，省去了配制和
7、分配多种药物不同浓度溶液的繁冗操作，大大简化了细胞接种、受激、洗涤和标记操作过程，显著降低了细胞和试剂的耗量。,where?,组合合成-材料开发 由于材料的物理行为是非线性的并且具有不可预料性。例如：陶瓷在高温时为超导体，而在低于它们的临界温度或非理想的化学计算下为绝缘体；复合材料有可能承受比从单个组分材料分析所预期的要大好几倍的强度和耐压力。而利用LOCs技术可以在合成大批材料的同时减少了要考虑的要素，大批材料合成后，接着进行快速的平行筛选已获得所希望的性能。,where?,组合合成-材料开发 在材料科学领域，新荧光体化合物的发现可以使之最终应用于荧光照明、平板显示器和计算机显示屏中。目前，
8、已设计和建立了一个喷墨式组合化学合成器，发现了一个新的高效蓝光照明复合物。,展 望 人们预测微流控技术将改革化学和 生物领域中的许多应用，如蛋白质和基因组学的研究、高通量和少量样品的分析、在线环境分析、临床诊断、微量合成和反应、组合合成以及工业制作过程中的在线分析。更为详述的应用包括扩散系数、PH值、化学键联系数和酶反应动力学系数的测量等。最终目标是实现分析实验室的“个人化”、“家用化”，从而使分析科学及分析仪器从化学实验室解放出来，进入千家万户。,参考文献,1Manz A,Harrison DJ,Verpoorte EMJ,et al.An international journal dev
9、oted to research and development of chemical transducers.J Chromatogr,1992,593:253-258.2Woolley AT,Mathies RA.Ultra-High-Speed DNA Sequencing Using Capillary Electrophoresis Chips.Anal Chem,1995,67:3676-3680.3林炳承与秦建华, 微流控芯片分析化学实验室. 高等学校化学学报, 2009(3): 第433-445页.4 林金明，化学发光基础理论与应用.2004，北京:化学工业出版社. 5Jae
10、obson, s.C,Hergenrodef， R.，Kouthny, L. B, etal, OPen-Channel ElectrochromatograPhy ona MicrochiP, Anal.Chem.，1994.66(14):P.2369一2373.6Kutter,J.P.，Jaeobson,s.C, Matsubara, N, etal, Solvent-progammed microchiPOpen-channel electrochromatograPhy Anal.Chem, 1998.70(15):P.3291一32977王辉, 微流控芯片电泳分析基础研究, 2005
11、, 中国科学院大连化学物理研究所,What?,A.微流控芯片结构原理(Schematic illustration of the fabricatedmicroflu-idic chip); B.微流控芯片成品(The fabricatedmicrofluidic chip),芯片是微流控芯片实验室的核心，它的研究涉及到芯片的基质材料、尺寸、设计、加工和表面修饰等,微型全分析系,基质材料：单晶硅片、石英、玻璃、陶瓷和有机聚合物如聚甲基丙烯酸甲(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚碳酸酯(PC) 等.尺寸：介于宏观尺度和纳米尺度之间微米级加工：20世纪90年代，传统的平面制备技术 光刻和蚀
12、刻，成本高，基底材料受限；复制成型技术主要有热压成型技术、注塑成型技术、浇铸成型技术，该技术更加容易构建三维的网络通道和组件,What?,7,微流控芯片加工方法,热压成型技术是当前学术研究领域最为常用的复制聚合物微结构的加工技术，其加工过程主要步骤如下： 聚合物基片(圆盘或薄片)放置在热压装置中，并在真空环境下使温度达到聚合物的玻璃化转变温度; 压头同样被加热到相同或略高于玻璃化转变温度;,微流控芯片加工方法,压头以一定压力压入聚合物基片，该压力的大小取决于聚合物基片的结构设计、基片的材料以及压头的材料; 压头和基片匀速降温到玻璃化转变温度以下，然后再进行分离或开模，即得到制品的微结构。,典型
13、热压成型系统,微流控芯片加工方法,注塑成型技术是微观领域最广泛制备聚合物的加工技术。,注射成型机切面示意图,最大优点：1、可以成型复杂的三维结构制件；2、不需要额外的机加工，缩短了成型周期。,微流控芯片加工方法,浇铸成型技术：用光刻和刻蚀等方法先制出带有微结构的凸模，然后浇铸液态聚合物材料。将固化后的高分子材料与凸模剥离便得到具有微通道的芯片。,浇铸成型过程示意图,浇铸法成型的微流控芯片微结构显微照片,微流控芯片系统的检测器,质谱检测器 1、电喷雾离子化质谱（ESI-MS） 2、基质辅助激光解析离子化质谱（MALDI-MS）电化学检测器（热门研究方向） 安培检测法，电导检测法，点位检测法光学检
14、测器（使用最多） 荧光检测，吸光检测，化学发光检测，激光热透镜检测，其中荧光检测中的激光诱导荧光检测法（LIF）在微流控芯片系统中最常用。化学发光检测器。,激光诱导荧光法（LIF）,尽管绝大多数化合物自身没有荧光，必须经过标记后才能用于 LIF 检测，但 LIF 仍然是目前微流控芯片体系中应用最为广泛的首选检测器。灵敏度较高，一般可达到10-9mol/L10-12mol/L。具有良好的选择性和较宽的线性范围，并且许多如氨基 酸、DNA等重要的生化物质样品均可以用荧光试剂进行标记。LIF检测器中又有着共聚焦型和非共聚焦型之分。,激光束经过透镜聚光和反射镜反射，以适当的入射角度照射芯片的检测区域，
15、激发产生的荧光经物镜收集聚光，并由滤光片滤除激发光和其他杂散光后，用光电倍增管、CCD、LED等光检测元件进行检测。这种检测器结构简单，易微型化但激发光和杂散光的干扰较大，导致检测信号的信噪比较差。,激光经扩束准直，由二向色镜反射并由显微物镜聚焦后垂直照射到芯片的检测区域，激发产生的荧光经二向色镜透射，并由与显微物镜同轴且共焦的显微目镜聚焦，再经干涉滤光片进一步滤除干扰光后成像在光检测元件上进行检测。,电化学检测,虽然LIF法能够提供分子水平的灵敏度，但对于微流控器件来说这样的系统体积有些太大了，减弱了由于器件微型化所带来的好处。解决这个问题的一个很好的选择就是电化学检测法。4 电化学检测易于
16、集成，但是检测系统与前端用于电场分离的高电压实现完全隔离的难度也比较大，且在分析实际样品时，电极表面易受到污染，检测的精密度和长期的稳定性等方面受到诸多限制。,生物质谱,生物质谱(Bio一Ms)作为生物化学分析的重要技术能够提供试样组分中生物大分子的基本结构和定量信息，在微全分析领域正逐步展现其作为芯片检测器的巨大潜力。质谱检测器的结构复杂，体积庞大，价格昂贵，制作便携式微全分析系统的难度很大。,化学发光检测器,化学发光(Chemllumineseence，CL)是在一些特殊的化学反应中，基态分子吸收反应中释放的化学能跃迁至激发态，处在激发态的分子不稳定以光辐射的形式将能量释放而返回基态，产生光信号的一种现象6。由于是依靠自身的化学反应产生光信号，无需外加光源，因此化学发光检测系统不存在荧光分析中光学系统因瑞利散射和拉曼散射及溶剂中荧光杂质产生的背景信号，具有很高的信噪比，可与激光诱导荧光检测相媲美.,
