《芯片原理與技術(shù)》課件微流控芯片 - 2

1、微 流 控 芯 片張彥婷鄭州大學(xué)生命科學(xué)院微流控芯片簡介微流控芯片的制備微流控芯片的流體控制微流控芯片的檢測 微流控芯片的應(yīng)用目 錄 微全分析系統(tǒng) (MicroTAS, TAS)通過化學(xué)分析設(shè)備的微型化與集成化，最大限度地把分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到便攜的分析設(shè)備中，甚至集成到方寸大小的芯片上。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)室的“個人化”、“家用化”。TAS可分為芯片式與非芯片式兩大類。芯片式是發(fā)展重點(diǎn)，即微流控芯片。微全分析系統(tǒng)是microTAS中當(dāng)前熱點(diǎn)，它最集中地體現(xiàn)了將分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到芯片上的思想，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室。主要以分析化學(xué)和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機(jī)電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)

2、特征，它把整個實(shí)驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等集成在微芯片上。微流控芯片主要是在分析化學(xué)的學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展起來的微流控芯片微流控芯片與微陣列芯片的比較微流控芯片的特點(diǎn) 微流控芯片的優(yōu)勢將多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺上靈活組合、規(guī)模集成。大幅縮短樣品處理時間。顯著提高分辨率/靈敏度。大幅降低消耗和成本?！拔?、全”微流控芯片的特點(diǎn)微流控芯片的結(jié)構(gòu)特征微流控芯片裝置特征主要是其容納流體的有效結(jié)構(gòu)（通道、反應(yīng)室和其它某些功能部件）至少在一個緯度上為微米級尺度。由于微米級的結(jié)構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能。因此發(fā)展出獨(dú)特的分析產(chǎn)生的性能。將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室加以芯片化

3、的主要困難在于尺度效應(yīng)微流控芯片的特點(diǎn)主要可分為三部分：不同功能的微流控芯片芯片微流體運(yùn)行控制裝置信號采集的控制與檢測裝置微流控芯片的結(jié)構(gòu)組成 微流控芯片材料玻璃石英有機(jī)聚合物硅材料 薄膜沉積：光刻前先在基片表面覆蓋一 一層薄膜，薄膜的厚度為數(shù)到 幾十微米，這一工藝過程叫薄膜沉積。光刻：在薄膜表面用甩膠機(jī)均勻地覆蓋上一層光膠。將光刻掩模上微流控芯片設(shè)計圖案通過曝光成像的原理轉(zhuǎn)移到光膠層上的工藝過程稱為光刻。刻蝕：是將光膠層上的平面二維圖形轉(zhuǎn)移到薄膜上并進(jìn)而在基片上加工成一定深度微結(jié)構(gòu)的工藝。選用適當(dāng)?shù)目涛g劑，使它對光膠、薄膜和基片材料的腐蝕速度不同，可以在薄膜或基片上產(chǎn)生所需的微結(jié)構(gòu)。光刻蝕的

4、基本工序微結(jié)構(gòu)的形成2模版澆注法（模塑法） 適合聚合物材料。 大批量生產(chǎn)時成本低。微結(jié)構(gòu)的形成3注塑法微結(jié)構(gòu)的形成Process overview for mass manufacturing of plastic microfluidic systems硅或玻璃制成陰模電鍍獲得金屬模具注入有機(jī)聚合物固化后剝落可大規(guī)模生產(chǎn)模具成本高4模版熱壓法Schematic representation of the fabrication method involving hotembossing of thermoplastic polymer pellets and thermal bonding.

5、 適合熱塑性聚合物 熱壓法(hot embossing)是一種快速復(fù)制微流控芯片的技術(shù)，是指將聚合物的板材放置在帶有微通道的模具上加熱使其軟化，即略高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，加壓并保持一定的時間，然后在壓力的作用下，將模具和芯片一起冷卻至低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度脫模，即在聚合物基片上制作出微通道。微結(jié)構(gòu)的形成用銅箔制備光刻掩模，用紫外激光通過顯微物鏡和光刻掩模，將激光能量聚焦在可光解高分子材料基片上，使光刻掩模在高分子基片上所特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生激光濺射。調(diào)整激光強(qiáng)度和基片表面所接收激光的脈沖數(shù)，可控制激光燒蝕的深度，得到有一定深度微通道的基片。5激光刻蝕法微結(jié)構(gòu)的形成熱鍵合是玻璃芯片鍵合中最常用的一種方法。含

6、二氧化硅材料之間的熱鍵合也稱為硅熔鍵合。將貼合在一起的基片放在高溫爐中加熱到500-1000后退火，界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使兩塊基片牢固地鍵合在一起Si-O-HH-O-Si Si-O-Si + H2O 玻璃和石英材質(zhì)的微流控芯片一般使用熱鍵合方法封合。芯片的封裝1熱鍵合2陽極鍵合在玻璃、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(diǎn)溫度。芯片的封裝低溫鍵合是相對高溫鍵合而言的，通常指在100以下甚至室溫下進(jìn)行的芯片鍵合。因?yàn)楦邷劓I合存在種種不利因素，促使許多研究人員開始進(jìn)行玻璃芯片低溫或室溫鍵合技術(shù)的研究。3. 低溫鍵合芯片的封裝微流控芯片簡介微流控芯

7、片的制備微流控芯片的流體微流控芯片的檢測 微流控芯片的應(yīng)用目 錄微尺度下流體的特征1. 層流層流：液體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的運(yùn)動，彼此不相混摻的形態(tài)微通道中的液液界面與通道壁平行表面張力和摩擦力大于重力。微尺度下流體的特征2. 電滲電滲是一種流體相對于帶點(diǎn)管壁移動的現(xiàn)象在pH3的條件下，石英微通道內(nèi)壁通常帶負(fù)電（表面電離或吸附），于是表面附近的液體中形成了一個帶正電的雙電層（stem層和擴(kuò)散層），在平行于內(nèi)壁的外電場作用下，雙電層中的溶劑化陽離子或質(zhì)子引起微通道內(nèi)流體朝著負(fù)極方向運(yùn)動微閥實(shí)現(xiàn)開關(guān)，控制流體的流動方向主要形態(tài)特征微泵實(shí)現(xiàn)流體的驅(qū)動，起著傳輸液流和分配液流的作用微通道控制流體的流動和混合

8、微流體驅(qū)動和控制微流體驅(qū)動和控制-微泵機(jī)械微泵 包括離心力微泵、熱動力微泵、靜電微泵、氣動力微泵等微流體驅(qū)動和控制-微泵非機(jī)械微泵 基本原理：主要通過把電、光、磁、熱等能量形式轉(zhuǎn)化或施加到被驅(qū)動流體而直接驅(qū)動液體，使之具有運(yùn)動動能微流體驅(qū)動和控制-微閥微閥：通過閥控制液體，使液體在指定方向流動。主動閥：利用制動器產(chǎn)生的制動力實(shí)現(xiàn)閥的武裝或切換操作被動閥：無需外來的制動力，利用流體本身參數(shù)的變化即可實(shí)現(xiàn)閥狀態(tài)的改變微混合由于一般微流控裝置流體狀態(tài)以層流為主，因此微流控的微混合主要依靠擴(kuò)散提高層流條件下混合效率的主要原則為：拉伸或折疊流體以增大流體的接觸面積；利用分散混合設(shè)計，通過管路幾何交叉設(shè)計

9、將大的液流拆分并重新組合，從而減小液流厚度，實(shí)現(xiàn)更有效混合。進(jìn)樣方式微觀系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)的銜接決定了微流控芯片系統(tǒng)樣品引入的特殊性一般都采用樣品源內(nèi)置的方法，即芯片上有一個儲液池來容納樣品源，因其與微通道直接相連，進(jìn)樣時只需要對樣品施加壓力或電動力進(jìn)樣方式電動進(jìn)樣懸浮進(jìn)樣門進(jìn)樣壓縮進(jìn)樣壓力進(jìn)樣壓力電動進(jìn)樣進(jìn)樣方式 電動進(jìn)樣以電動力作為其上樣、取樣的驅(qū)動力采用單通道輔助進(jìn)樣，通過電壓切換，在十字交叉口處形成樣品區(qū)帶，并將其引入芯片樣品處理通道依照電壓施加策略的不同，可分懸浮進(jìn)樣、門進(jìn)樣、壓縮進(jìn)樣懸浮進(jìn)樣1.樣品池2.樣品廢液池3.緩沖液池4.廢液池進(jìn)樣方式門進(jìn)樣1.樣品池，2.樣品廢液池，3.緩沖

10、液池，4.廢液池進(jìn)樣方式壓縮進(jìn)樣進(jìn)樣方式2. 壓力進(jìn)樣僅利用壓力將樣品區(qū)帶引入樣品處理通道優(yōu)點(diǎn)：壓力作用下，流體的行為與樣品組成、管壁帶電狀態(tài)等基本無關(guān)缺點(diǎn)：向微通道施加壓力操作繁瑣，所需設(shè)備較精密、昂貴2. 壓力電動進(jìn)樣上樣驅(qū)動力為壓力，取樣驅(qū)動力為電動力的進(jìn)樣方式兼具壓力進(jìn)樣和電動進(jìn)樣的優(yōu)點(diǎn)同樣受限于壓力上樣的技術(shù)門檻進(jìn)樣方式微流控芯片簡介微流控芯片的制備微流控芯片的流體控制微流控芯片的檢測 微流控芯片的應(yīng)用目 錄微流控芯片檢測器的作用是將測定被分析樣品經(jīng)微流控芯片系統(tǒng)分離或處理后有關(guān)組成的組成及含量。檢測器的總體性能將影響整個微流控分析系統(tǒng)的檢出限、檢測速度、適用范圍、體積等指標(biāo)，是微流

11、控分析系統(tǒng)的關(guān)鍵部位之一。微流控芯片的檢測微流控芯片對檢測器的特殊要求靈敏度高響應(yīng)速度快體積小微流控芯片的檢測1. 激光誘導(dǎo)熒光檢測器 (Laser induced fluorescence, LIF)LIF檢測器是應(yīng)用最早、最多的光學(xué)檢測器，也是目前唯一被商品化的檢測器，多應(yīng)用于毛細(xì)管電泳芯片中。微流控芯片的檢測優(yōu)點(diǎn)：是最靈敏的檢測方法之一，其檢測限可達(dá)到10-910-13mol/L，對于某些高熒光產(chǎn)率的物質(zhì)甚至可以達(dá)到單分子檢測。缺點(diǎn)：分析物需要具有熒光或含有可通過衍生反應(yīng)得到熒光信號的官能團(tuán)；熒光標(biāo)記有可能會造成分析物質(zhì)生化學(xué)活性的改變，影響結(jié)果的可信度1. 激光誘導(dǎo)熒光檢測器微流控芯片

12、的檢測2. 化學(xué)發(fā)光檢測器原理：基態(tài)的分子吸收化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量，躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子以光輻射的形式返回基態(tài)，從而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。特點(diǎn)：無需激發(fā)光源，檢測器結(jié)構(gòu)簡單；靈敏度高；發(fā)光試劑的選擇性較差，經(jīng)電泳分離后再檢測可以克服此缺點(diǎn)。微流控芯片的檢測普通化學(xué)發(fā)光微流控芯片的檢測電化學(xué)檢測是通過電極將溶液中的待測物的化學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆詫?shí)現(xiàn)對待測組分檢測的分析方法其中安培法是應(yīng)用最普遍的一種方法?；驹硎? 測量化合物在電極表面受到氧化或還原反應(yīng)時, 會失去或得到電子, 產(chǎn)生與分析物濃度成正比的電極電流, 通過測量微通道中的電流即可得到溶液濃度的變化情況。3. 電化學(xué)檢測器安培檢測器

13、微流控芯片的檢測芯片毛細(xì)管電泳-陣列工作電極安培檢測系統(tǒng)3. 電化學(xué)檢測器安培檢測器微流控芯片的檢測優(yōu)勢：MS檢測的高效率、高靈敏度和高通量迎合了芯片微小樣品量及微流控系統(tǒng)的目標(biāo)，兩者聯(lián)用可滿足基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)等生物分析的需要。劣勢：現(xiàn)行儀器體積龐大，價格昂貴，不符合芯片微型化的特點(diǎn)，只能用于芯片外檢側(cè);芯片同質(zhì)潛的接口仍然是發(fā)展的重點(diǎn)與難點(diǎn)3. 質(zhì)譜檢測器微流控芯片的檢測 待測分子溶解在溶劑中，以液相方式通過毛細(xì)管到達(dá)噴口。在高電壓作用下形成帶電荷的霧滴，隨著霧滴中溶劑的蒸發(fā)，其表面電場隨半徑減少而增加，電荷密度不斷變大，到達(dá)某一臨界點(diǎn)時，樣品以離子方式蒸發(fā)進(jìn)入氣相，從而實(shí)現(xiàn)離子化。電噴

14、霧離子化質(zhì)譜（ESI-MS） 微流控芯片的檢測微流控芯片通過和霧化器-ESI聯(lián)用示意圖芯片與ESI-MS接口-外接噴霧毛細(xì)管型微流控芯片的檢測微流控芯片簡介微流控芯片的制備微流控芯片的流體控制微流控芯片的檢測 微流控芯片的應(yīng)用目 錄微流控芯片的應(yīng)用例：干細(xì)胞微流控芯片的設(shè)計、制備、檢測與應(yīng)用研究芯片設(shè)計干細(xì)胞操作實(shí)驗(yàn)干細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)微結(jié)構(gòu)的加工芯片材料選擇芯片封裝實(shí)驗(yàn)流程微流控芯片功能塊圖微流控芯片的應(yīng)用1. 芯片設(shè)計微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖微流控芯片的應(yīng)用1. 芯片設(shè)計2. 芯片的制作-材料選擇能夠經(jīng)受滅菌處理對細(xì)胞影響小對可見光具有較高透過率生物兼容性芯片制作工藝微流控芯片的應(yīng)用芯片材料最終選擇

15、使用了PC材料微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-流程微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-微結(jié)構(gòu)加工模型澆注法微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-微結(jié)構(gòu)加工模型澆注法微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-微結(jié)構(gòu)加工模具照片微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-微結(jié)構(gòu)加工Ni板照片微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-微結(jié)構(gòu)加工PC板照片在鍵合時，選用熱壓鍵合法對基板和蓋片進(jìn)行鍵合PC 材料的熱壓鍵合溫度達(dá)到了 150微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-芯片的鍵合微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-芯片的鍵合完全鍵合的基片和蓋片微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作-芯片的封裝將芯片和外部裝置進(jìn)行連接微流控芯片的應(yīng)用2.

16、芯片的制作芯片完成圖微流控芯片密封性檢測微流控芯片的應(yīng)用2. 芯片的制作3. 在微流控芯片上對干細(xì)胞進(jìn)行的操縱實(shí)驗(yàn)細(xì)胞注入微流控芯片的操縱實(shí)驗(yàn)-電動微量注射裝置-手動微量注射裝置微流控芯片的應(yīng)用手動微量注射裝置單細(xì)胞注入微流控芯片示意圖微流控芯片的應(yīng)用3. 在微流控芯片上對干細(xì)胞進(jìn)行的操縱實(shí)驗(yàn)多個細(xì)胞注入微流控芯片示意圖微流控芯片的應(yīng)用3. 在微流控芯片上對干細(xì)胞進(jìn)行的操縱實(shí)驗(yàn)微流控芯片中的細(xì)胞微流控芯片的應(yīng)用3. 在微流控芯片上對干細(xì)胞進(jìn)行的操縱實(shí)驗(yàn)微流控芯片中的細(xì)胞微流控芯片的應(yīng)用3. 在微流控芯片上對干細(xì)胞進(jìn)行的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)微流控芯片的應(yīng)用芯片上微環(huán)境比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境更接近于活體上的微環(huán)境有利

17、于重要因子的積累可在微尺度下對細(xì)胞實(shí)現(xiàn)操縱控制有利于深入理解細(xì)胞基本功能和細(xì)胞通信細(xì)胞微流控芯片的優(yōu)勢微流控芯片的應(yīng)用微流控芯片應(yīng)用離子檢測小分子檢測DNA分析和測序蛋白質(zhì)分離免疫分析細(xì)胞培養(yǎng)及檢測微流控芯片的應(yīng)用1. 離子的檢測離子樣品往往是幾種甚至多種離子的混合物，當(dāng)共存離子與待測離子性質(zhì)相似，或者待測對象是多個離子時，通常要經(jīng)過某些分離手段將樣品中的離子彼此分開在進(jìn)行檢測。通常會將毛細(xì)管電泳和色譜這樣的分離方式被微型化的集成到微流控芯片上并用于離子分析。 區(qū)帶電泳 （ZE） 等速電泳 （ITP） 離子色譜 （IC）ITP-ZE 離子分離模式（1）區(qū)帶電泳在支持介質(zhì)上電泳后分離的各組分因遷

18、移速度不同被多孔的凝膠或固體等支持物所穩(wěn)定分布成若干區(qū)帶而得名?？砂雌渲С治锊煌?，如濾紙電泳、淀粉電泳、凝膠電泳、細(xì)絲電泳等。帶電顆粒在電場作用下于液體中移動，除顆粒受電場作用之外，也受到溶質(zhì)顆粒與固相載體吸附作用的影響，其遷移是各種影響綜合的結(jié)果。微流控芯片分離檢測無機(jī)離子微流控芯片的應(yīng)用Chemiluminescence Detection for a Microchip Capillary Electrophoresis System Fabricated in Poly(dimethylsiloxane)Analytical Chemistry, Vol. 75, No. 1,

19、January 1, 2003微流控芯片的應(yīng)用微流控芯片的應(yīng)用（2） 等速電泳 (Isotachophoresis) 它是一種基于離子淌度差異的“移動邊界”電泳技術(shù)。它采用兩種不同的緩沖液系統(tǒng)：一種是前導(dǎo)電解質(zhì)，有效淌度比樣品中任何離子都大，加入到末端，并充滿整個芯片通道；另一種稱尾隨電解質(zhì)，有效淌度比樣品中任何離子都小，加入起始端；樣品加在前導(dǎo)電解質(zhì)和尾隨電解質(zhì)之間微流控芯片的應(yīng)用Determination of metal cations on miniaturised planar polymeric separation devices using isotachophoresis w

20、ith integrated conductivity detectionThe layout of one of the planar polymer separation devices.微流控芯片的應(yīng)用電導(dǎo)檢測器Fig. 2 Isotachopherogram of a separation of four metal cations using a miniaturised planar polymer separation device. 1, Na+; 2, Li+; 3, La3+; 4, Dy3+; 5, Yb3+; 6, carnitine(肉毒堿).微流控芯片的應(yīng)用600s

21、內(nèi)完成4種離子的分離和檢測微流控芯片的應(yīng)用微流控芯片應(yīng)用離子檢測小分子檢測DNA分析和測序蛋白質(zhì)分離免疫分析細(xì)胞培養(yǎng)及檢測Enantioselective Catalysis and Analysis on a ChipFigure . Schematic drawing of the working principle of the integrated catalysis/analysis chip. SO: sample outlet, SI : alternative sample inlet, BI : buffer outlet.2. 小分子檢測微流控芯片的應(yīng)用Figure . P

22、hoto of the microfluidic chip in comparison with a 2-Euro coin together with the reaction scheme (top) and the electrophoretic data (bottom) of the separated enantiomers of product and precursor.微流控芯片的應(yīng)用2.小分子檢測90s實(shí)現(xiàn)分離Figure . Application of the system for testing the wild type as well as different e

23、poxide hydrolase mutants created by directed evolution. Electrophoretic separation of product and educt enantiomers after on-chip catalysis. The E values were calculated from the corresponding single measurements.微流控芯片的應(yīng)用2. 小分子檢測酶反應(yīng)的動力學(xué)研究微流控芯片的應(yīng)用微流控芯片的應(yīng)用微流控芯片應(yīng)用離子檢測小分子檢測DNA分析和測序蛋白質(zhì)分離免疫分析細(xì)胞培養(yǎng)及檢測陣列毛細(xì)管電

24、泳是完成人類基因組工程DNA測序時采用的主流技術(shù)。該技術(shù)所采用的主要測序方法為Sanger法。這種傳統(tǒng)DNA測序方法面臨著大規(guī)模應(yīng)用時成本、儀器等方面因素的挑戰(zhàn)，而微流控芯片的技術(shù)則可能將DNA測序的步驟集成在芯片上完成，達(dá)到高通量、集成化和微型化的目的。3. DNA測序微流控芯片的應(yīng)用更細(xì)的分離通道，能實(shí)現(xiàn)DNA的快速分離一塊芯片上可集成更多的毛細(xì)管，實(shí)現(xiàn)高能量測序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)物處理和分析的集成化，減少人為干擾PMMA，2-3mm厚輻射型排列采用旋轉(zhuǎn)掃描LIF法檢測實(shí)現(xiàn)平行測序圖為96通道陣列微流控測序芯片示意圖微流控芯片的應(yīng)用96通道陣列微流控測序芯片Proceedings of the Nat

25、ional Academy of Sciences of the United States of America,2002,99(2):574-579旋轉(zhuǎn)掃描的共聚焦激光誘導(dǎo)熒光四色檢測器分離通道300um微流控芯片的應(yīng)用DNA測序結(jié)果,1.7kb/min連續(xù)流動式PCR芯片微流控芯片的應(yīng)用PCR芯片結(jié)構(gòu)示意圖一種樣品可在不同溫度的恒溫區(qū)間內(nèi)連續(xù)流動一個20個循環(huán)的PCR最快只需要1.5分鐘。芯片由石英玻璃組成微通道用光刻腐蝕并鍵合的方法制的三個溫度區(qū)(95、77和60)由三個恒溫銅塊來實(shí)現(xiàn)液體流動管道在玻璃上刻蝕得到由恒流泵驅(qū)動實(shí)驗(yàn)中所用芯片的設(shè)計generates 20 identical Cyclesea