微流控芯片簡介

微流控芯片簡介第1頁/共45頁

：微流控芯片技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫(yī)學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。一、什么是微流控芯片2Labonachip!第2頁/共45頁微流控是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結(jié)構的技術。特別的，微意味著以下的特性：微小的容量（納升，皮升，飛升級別）微小的體積低能量消耗裝置本身占用體積小微流控利用對于微尺度下流體的控制，是一個包括了工程學，物理學，化學，微加工和生物工程的多交叉學科。微流控在20世紀80年代興起，并在DNA芯片，芯片實驗室，微進樣技術，微熱力學技術得到了發(fā)展。微流控研究的空間特征尺度范圍在1微米(10-6米)至1毫米(10-3米)。一、什么是微流控芯片3第3頁/共45頁二、微流控芯片能做什么4生物醫(yī)學領域：可以使珍貴的生物樣品和試劑消耗降低到微升甚至納升級，而且分析速度成倍提高，成本成倍下降化學領域：它可以使以前需要在一個大實驗室花大量樣品、試劑和很多時間才能完成的分析和合成，將在一塊小的芯片上花很少量樣品和試劑以很短的時間同時完成大量實驗分析化學領域：它可以使以前大的分析儀器變成平方厘米尺寸規(guī)模的分析儀，將大大節(jié)約資源和能源第4頁/共45頁2004年，美國期刊《商務2.0》（Business2.0）的封面文章“七大新技術將改變一切”中第五種即是微流控芯片系統(tǒng)2006年Nature雜志就這種可能會成為“這一世紀的技術”推出專輯。微流控芯片系統(tǒng)作為第三次產(chǎn)業(yè)革命“生物科技革命”的佼佼者正重演當初電子芯片的蓬勃發(fā)展態(tài)勢，它必將改變?nèi)祟悓淼纳罘绞健?995年全球第一家微流控芯片企業(yè)CaliperTechnologies（現(xiàn)名：CaliperLifeSciences）在美國成立，一年即集資近千萬美元，而后1999年成功上市，同年市值達到了7500萬美元，并于2011年達到市值10億美元。二、微流控芯片能做什么5第5頁/共45頁微流控芯片系統(tǒng)涉及領域極其廣泛，包括疾病檢測、生化分析、蛋白質(zhì)檢測、藥物篩選、毒品檢測、商品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學、軍事科學及航天科學等，覆蓋人們生活的方方面面。二、微流控芯片能做什么2023/4/56第6頁/共45頁二、微流控芯片能做什么7NannanYe,a

JianhuaQin,*a

WeiweiShi,a

XinLiua

and

BingchengLin*a

LabChip,2007,7,1696-1704a第7頁/共45頁二、微流控芯片能做什么8R.H.Liu,J.N.Yang,T.Lenigk,J.Bonanno,P.Grodzinski,Anal.Chem.76(2004)1824.幾千元幾十萬元第8頁/共45頁微流控芯片技術(Microfluidics)Micro：微小的fluidics：應用流體學如何組成一套微芯片系統(tǒng)9進樣器芯片檢測器第9頁/共45頁進樣器注射泵：工作時，單片機系統(tǒng)發(fā)出控制脈沖使步進電機旋轉(zhuǎn)，而步進電機帶動絲桿將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，推動注射器的活塞進行注射輸液，實現(xiàn)高精度，平穩(wěn)無脈動的液體傳輸。恒壓泵：恒流泵精準、耐用、輸送流量穩(wěn)定，連續(xù)可調(diào)有較高的壓力和揚程，而且輸送物質(zhì)不與外界接觸，防止污染，各種流量加液抽液。有微量輸送，也可作小型罐裝用。進樣器10第10頁/共45頁電泳：帶電顆粒在電場作用下，向著與其電性相反的電極移動，稱為電泳(electrophoresis,EP)。利用帶電粒子在電場中移動速度不同而達到分離的技術稱為電泳技術。磁分選:處于磁場中的磁性物質(zhì)或電流，會因為磁場的作用而感受到磁力，從而與其他不帶磁性的物質(zhì)進行分離。熱傳導：熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個系統(tǒng)傳到另一個系統(tǒng)的現(xiàn)象叫傳熱。進樣器11第11頁/共45頁進樣器12重力驅(qū)動:利用液體自重完成進樣第12頁/共45頁13離心力驅(qū)動CentrifugalMicrofluidicsPlatformAnal.Chem.2002,74,5569-5575第13頁/共45頁制備和反應：將常規(guī)的混合，加熱等步驟，在芯片上通過液體的流路控制來實現(xiàn)微芯片14Anal.Chem.2002,74,1565-1571第14頁/共45頁培養(yǎng)：將常規(guī)的微生物、細胞、組織培養(yǎng)進行微型化，通過結(jié)構設計，把微通道變成培養(yǎng)皿，同時進行溫度、濕度、氣體濃度控制，實現(xiàn)生物培養(yǎng)功能15第15頁/共45頁分離：對通道內(nèi)進行修飾或者外加驅(qū)動力，根據(jù)停留時間不同實現(xiàn)不同物質(zhì)的分離，達到常規(guī)色譜或者電泳的分離效果。16第16頁/共45頁光譜檢測器：光譜儀(Spectroscope)是將成分復雜的光分解為光譜線的科學儀器，由棱鏡或衍射光柵等構成，利用光譜儀可測量物體表面反射的光線。陽光中的七色光是肉眼能分的部分(可見光)，但若通過光譜儀將陽光分解，按波長排列，可見光只占光譜中很小的范圍，其余都是肉眼無法分辨的光譜，如紅外線、微波、紫外線、X射線等等。通過光譜儀對光信息的抓取、以照相底片顯影，或電腦化自動顯示數(shù)值儀器顯示和分析，從而測知物品中含有何種元素。檢測器17第17頁/共45頁電化學檢測器：以測量某一化學體系或試樣的電響應為基礎建立起來的一類分析方法。它把測定的對象構成一個化學電池的組成部分，通過測量電池的某些物理量，如電位、電流、電導或電量等，求得物質(zhì)的含量或測定某些電化學性質(zhì)。18第18頁/共45頁19質(zhì)譜顯微成像第19頁/共45頁從材料分有機聚合物芯片（PDMSPMMAPC等）玻璃芯片紙芯片其他

有哪些微流控芯片20第20頁/共45頁PDMS:聚二甲基硅氧烷作為一種高分子有機硅化合物，通常被稱為有機硅。具有光學透明，且在一般情況下，被認為是惰性，無毒，不易燃。最廣泛使用的硅為基礎的有機聚合物材料，其運用包括在生物微機電中的微流道系統(tǒng)、填縫劑、潤滑劑、保護劑等有哪些微流控芯片21第21頁/共45頁分為A(基本組分)，B(固化劑)兩個組分混合均勻后加熱固化固化后為透明軟質(zhì)材料優(yōu)點：惰性，生物相容性，透明，易加工缺點：軟，對蛋白質(zhì)有吸附作用22第22頁/共45頁PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）PC（聚碳酸酯）俗稱有機玻璃，亞克力，透明材料中質(zhì)地最優(yōu)異，價格又比較適宜的品種PMMA樹脂是無毒環(huán)保的材料，可用于生產(chǎn)餐具，衛(wèi)生潔具等，具有良好的化學穩(wěn)定性、和耐候性，在破碎時不易產(chǎn)生尖銳的碎片有哪些微流控芯片23第23頁/共45頁PC是幾乎無色的玻璃態(tài)的無定形聚合物，有很好的光學性。PC高分子量樹脂有很高的韌性，主要性能缺陷是耐水解穩(wěn)定性不夠高，對缺口敏感，耐有機化學品性，耐刮痕性較差，長期暴露于紫外線中會發(fā)黃。和其他樹脂一樣，PC容易受某些有機溶劑的浸濁。原料為透明板材，通道加工有模具熱壓，機床切割加工等24第24頁/共45頁玻璃:硼硅酸鹽玻璃：以SiO2和B2O3為主要成分，具有良好的耐熱性和化學穩(wěn)定性，用以制造烹飪器具、實驗室儀器、金屬焊封玻璃等。硼酸鹽玻璃以B2O3為主要成分，熔融溫度低，可抵抗鈉蒸氣腐蝕。含稀土元素的硼酸鹽玻璃折射率高、色散低，是一種新型光學玻璃。磷酸鹽玻璃以P2O5為主要成分，折射率低、色散低，用于光學儀器中。石英玻璃：SiO2含量大于99.5%，熱膨脹系數(shù)低，耐高溫，化學穩(wěn)定性好，透紫外光和紅外光，熔制溫度高、粘度大，成型較難。多用于半導體、電光源、光導通信、激光等技術和光學儀器中。鋼化玻璃：屬于安全玻璃。鋼化玻璃其實是一種預應力玻璃，為提高玻璃的強度，通常使用化學或物理的方法，在玻璃表面形成壓應力，玻璃承受外力時首先抵消表層應力，從而提高了承載能力，增強玻璃自身抗風壓性，寒暑性，沖擊性等。25第25頁/共45頁其他紙芯片金屬芯片凝膠芯片等等26第26頁/共45頁微結(jié)構的形成

1．經(jīng)典的光刻技術Photolithographproceduresformakingglasstemplate.(a)Spinecoatingofphotoresist,

(b)coveredwithphotomask,

(c)exposure,(d)developing,(e)etching,and(f)removalofphotoresist.

適合硅、玻璃、石英等材料，與傳統(tǒng)的半導體工業(yè)的方法一致。分為濕法和干法兩種，干法的分辨率較濕法高，相應的制造成本也高。Analyst,2004,129,305–308芯片制作與修飾27第27頁/共45頁2．模版澆注法

（模塑法）Processoverviewformassmanufacturingofplasticmicrofluidicsystems

適合聚合物材料。大批量生產(chǎn)時成本低。Anal.Chem.,2002,74,78A-86A28微結(jié)構的形成第28頁/共45頁3．模版熱壓法Schematicrepresentationofthefabricationmethodinvolvinghotembossingofthermoplasticpolymerpelletsandthermalbonding.

適合熱塑性聚合物。AppliedPhysicsLetters,2002,80,3614-361629微結(jié)構的形成第29頁/共45頁微結(jié)構的形成

4．激光刻蝕法

用激光直接在聚合物或玻璃上加熱形成微結(jié)構.Anal.Chem.,1997,69,2035-2042汶顥芯片科技30第30頁/共45頁

對玻璃和石英材質(zhì)刻蝕的微結(jié)構一般使用熱鍵合方法，將加工好的基片和相同材質(zhì)的蓋片洗凈烘干對齊緊貼后平放在高溫爐中，在基片和蓋片上下方各放一塊拋光過的石墨板，在上面的石墨板上再壓一塊重0.5kg的不銹鋼塊，在高溫爐中加熱鍵合。玻璃芯片鍵合時，高溫爐升溫速度為10oC/分，在620oC時保溫3.5小時，再以10oC/分的速率降溫。石英芯片鍵合溫度高達1000oC以上。此方法對操作技術要求較高。現(xiàn)代科學儀器，2001，4，8-121．熱鍵合31芯片的封裝第31頁/共45頁在玻璃、石英與硅片的封接中已廣泛采用陽極鍵合的方法。即在鍵合過程中，施加電場，使鍵合溫度低于軟化點溫度。在500-760伏電場下，升溫到500oC時，可使兩塊玻璃片鍵合。在兩塊玻璃板尚未鍵合時，板間空氣間隙承擔了大部分電壓降，玻璃板可視為平行板電容器，板間吸引力與電場強度的平方成正比，因此，鍵合從兩塊玻璃中那些最接近的點開始，下板中可移動的正電荷（主要是Na+）與上板中的負電荷中和，生成一層氧化物（正是這層過渡層，使兩塊玻璃板封接），該點完成鍵合后，周圍的空氣間隙相應變薄，電場力增大，從而鍵合擴散開來，直至整塊密合?，F(xiàn)代科學儀器，2001，4，8-122．陽極鍵合32芯片的封裝第32頁/共45頁3．室溫鍵合Anal.Chem.2004,76,5597-5602汶顥芯片科技33第33頁/共45頁4．貼合

（等離子處理或者不處理）

將聚合物薄片直接覆

蓋在玻璃或石英板上。

5．壓合Schematicillustrationofsealingandconnectionmethod.Thetopandbottomplatesarepressedbyascrewandholders.Anal.Chem.2002,74,1724-172834芯片的封裝第34頁/共45頁表面修飾

1．作為色譜固定相coatingofchannelwallswithsomething,e.g.octadecylsilanes,tocreatestationaryphasesAnal.Chem.2002,74,784-789Anal.Chem.2003,75,64A-69A汶顥芯片科技35第35頁/共45頁2．固定化酶Schematicdiagramofstreptavidin-conjugatedalkalinephosphataseboundtoasupportedlipidbilayercontainingbiotinylatedlipids.Anal.Chem.2002,74,379-38536表面修飾第36頁/共45頁3．固定化生物膜Langmuir2003,19,1624-163137表面修飾第37頁/共45頁4．親水或疏水修飾Analyst2004,129,284-28738表面修飾第38頁/共45頁超凈間:超凈間(CleanRoom)，亦稱為無塵室或清凈室?！赋瑑糸g」是指將一定空間范圍內(nèi)之空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等之污染物排除，并將室內(nèi)之溫度、潔凈度、室內(nèi)壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求范圍內(nèi)，而所給予特別設計之房間。亦即是不論外在之空氣條件如何變化，其室內(nèi)均能俱有維持原先所設定要求之潔凈度、溫濕度及壓力等性能之特性。超凈間最主要之作用在于控制產(chǎn)品（如硅芯片等）所接觸之大氣的潔凈度日及溫濕度，使產(chǎn)品能在一個良好之環(huán)境空間中生產(chǎn)、制造，此空間我們稱之為「超凈間」。工業(yè)超凈間以無生命微粒的控制為對象。主要控制空氣塵埃微粒對工作對象的污染，內(nèi)部一般保持正壓狀態(tài)。它適用于精密機械工業(yè)、電子工業(yè)（半導體、集成電路等）宇航工業(yè)、高純度化學工業(yè)、原子能工業(yè)、光磁產(chǎn)品工業(yè)（光盤、膠片、磁帶生產(chǎn)）LCD（液晶玻璃）、電腦硬盤、電腦磁頭生產(chǎn)等多行業(yè)。生物超凈間主要控制有生命微粒（細菌）與無生命微粒（塵埃）對工作對象的污染。又可分為；A、一般生物超凈間，主要控制微生物（細菌）對象的污染。同時其內(nèi)部材料要能經(jīng)受各種滅菌劑侵蝕，內(nèi)部一般保證正壓。實質(zhì)上其內(nèi)部材料要能經(jīng)受各種滅菌處理的工業(yè)超凈間。例：制藥工業(yè)、醫(yī)院（手術室、無菌病房）食品、化妝品、飲料產(chǎn)品生產(chǎn)、動物實驗室、理化檢驗室、血站等。B、生物學安全超凈間：主要控制工作對象的有生命微粒對外界和人的污染。內(nèi)部要保持與大氣的負壓。例：細菌學、生物學、潔凈實驗室、物物工程（重組基因、疫苗制備）需要什么條件39第39頁/共45頁光刻機:光刻機/紫外曝光機（MaskAligner)又名：掩模對準曝光機，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等。常用的光刻機是掩膜對準光刻，所以叫MaskAlignmentSystem.一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、等工序Ph