图解微流控芯片实验室(林炳承,秦建华著)思维导图

根据上样和取样的方式不同分为完全电动， 完全压力、压力电动单通道辅助进样。
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完全电动单通道辅助进样
完全电动单通道辅助进样简称电动进样，指 的是以电动力作为其上样、取样的驱动力， 通过电压切换，在十字交叉口处形成样品区 带并将其引入芯片样品处理通道的方法。
依据电压施加策略的不同，分为简单、悬浮、 门、夹流进样。
缺点：存在进样歧视效应，即由于样品中 各组分的电动淌度不一样，电动淌度大的 进样量大，导致区全压力单通道辅助进样
完全压力单通道辅助进样指的是仅利用压力将样品 区带引入样品处理通道的方法，简称压力进样。
在压力作用下流体的行为与样品组成、管壁带电状 态等基本无关，因此压力进样方法所引入的样品区 带在很大程度上可代表样品中各组分的真实组成， 但向微通道内施加压力操作繁琐，所需设备较精密、 较昂贵，所以该方法实际应用面较窄，主要集中于 芯片液相色谱类操作。
液滴的形成是水、油两相表面张力和剪切力 共同作用的结果。通过改变油相和水相的流 速，即改变表面张力和剪切力的相对大小， 可得到大小不同的液滴。
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反应物的引入
直接进样：当反应比较简单时，可用注射泵 直接将反应物包入液滴，以液滴形成时的条 件作为反应的初始条件，若反应步骤较多， 可以在芯片下游利用旁路通道向液滴内加入 另一种反应物，开始下一步反应。
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一次性试样引入
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1.3 气／固样品进样
气态样品也可以直接进样。 固态样品在微粒化后，经气或液体携带可
被引入芯片样品处理通道。
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2 样品处理技术
2.1 萃取
2.1.1 固相萃取 2.1.2 液液萃取
2.2 过滤 2.3 电泳 2.4 色谱

性聚合物。
Applied Physics Letters, 2002, 80, 3614-3616
Schematic representation of the
fabrication
method
involving
hotembossing of thermoplastic polymer
在两块玻璃板尚未键合时板间空气间隙承担了大部分电压降玻璃板可视为平行板电容器板间吸引力与电场强度的平方成正比因此键合从两块玻璃中那些最接近的点开始下板中可移动的正电荷主要是na与上板中的负电荷中和生成一层氧化物正是这层过渡层使两块玻璃板封接该点完成键合后周围的空气间隙相应变薄电场力增大从而键合扩散开来直至整块密合
现代科学仪器，2001，4，8-12
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芯片的封装
2．阳极键合
在玻璃、石英与硅片的封接中已广泛采用阳极键合的方法。 即在键合过程中，施加电场，使键合温度低于软化点温度。
在500-760伏电场下，升温到500oC时，可使两块玻璃片 键合。在两块玻璃板尚未键合时，板间空气间隙承担了大部分 电压降，玻璃板可视为平行板电容器，板间吸引力与电场强度 的平方成正比，因此，键合从两块玻璃中那些最接近的点开始， 下板中可移动的正电荷（主要是Na+）与上板中的负电荷中和， 生成一层氧化物（正是这层过渡层，使两块玻璃板封接），该 点完成键合后，周围的空气间隙相应变薄，电场力增大，从而 键合扩散开来，直至整块密合。
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生物医学领域：可以使珍贵的生物样品和试 剂消耗降低到微升甚至纳升级，而且分析速 度成倍提高，成本成倍下降
化学领域：它可以使以前需要在一个大实验 室花大量样品、试剂和很多时间才能完成的 分析和合成，将在一块小的芯片上花很少量 样品和试剂以很短的时间同时完成大量实验

绝缘性以避免被高压击穿。散热性能好的材料有利于焦耳
热的散发。随着微通道和微结构的尺寸下降，焦耳热散发
能力随之增加，因此有机聚合物的导热能力在微尺度时重
要性也降低。芯片中的化学反应需要在高温下进行时，就
必须考虑芯片材料的耐热性，如PCR扩增用微流控芯片的
材料要能承受DNA片段变性时所需的95℃高温。
2021
微流控芯片相关制备技术
孙
珊
2012.05.08
2021
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芯片是微流控芯片实验室的核心， 微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺 寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯 片制备的全过程，体会芯片设计的重要 性，是微流控芯片研究工作的基础。未 来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片 设计和制造的竞争。
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Contents
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在所采用的分析条件下材料应是惰性的
有机聚合物能溶于某些有机溶剂中，例如聚甲基丙烯 酸甲酯（PMMA）的微结构在乙腈中会发生溶胀、塌陷甚 至堵塞等现象，而它对高浓度的甲醇则是惰性的。因此选 择聚合物材料时要考虑芯片材料和可能使用的有机溶剂间 的相容性。
材料应有良好电绝缘性和热性能
微芯片在分析时如用到电泳分离，材料应有良好的电
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掩模制备
通常的用于微电子行业的掩膜材料有镀 铬玻璃板或镀铬石英板，在它们表面均匀地 涂上一层对光敏感的光胶。用计算机制图软 件绘制微流控芯片的设计图形，再通过专用 的接口电路控制图形发生器进行光刻，可在 掩膜材料上得到所需的图形。图形发生器相 当于一架特殊的照相机。与一般照相机不同 的是这种照相机并不是由外界物体的光线通 过物镜在底片上成像，而是接受来自计算机 的输入数据成像。

氧化和湿氧氧化。水汽氧化的氧化剂是水蒸气，干氧氧 化的氧化剂是氧气，湿氧氧化的氧化剂则介于两者之间， 是水蒸气和氧气的混合物。
化学反应方程式分别为：
Si+2H2O→SiO2+2H2 水蒸气氧化
Si+O2→SiO2
干氧氧化
化学气相沉积
化学气相沉积是气态反应物在反应器中通过特定的 化学反应，使反应产物沉积在加热基片上镀膜过程的总 称。
光刻蚀技术由薄膜沉积、光刻和刻蚀三个工序组成。
光胶层 薄膜
光刻蚀的基本工序
薄膜沉积：光刻前先在基片表面覆盖一 一层薄膜，薄膜的厚度为数Å到 几十微米，这一工艺过程叫薄膜沉积。 光刻：在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光 胶。将光刻掩模上微流控芯片设计图案通过曝光 成像的原理转移到光胶层上的工艺过程称为光刻。 刻蚀：是将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜 上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺。 选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材 料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所 需的微结构。
微流控芯片相关制备技术
孙
珊
2012.05.08
芯片是微流控芯片实验室的核心， 微流控芯片的研究涉及芯片的材料、尺 寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯 片制备的全过程，体会芯片设计的重要 性，是微流控芯片研究工作的基础。未 来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片 设计和制造的竞争。
Contents
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微流控分析芯片材料
聚合物材料的表面要有合适的修饰改性方法
用于制作微流控芯片的高分子聚合物主要有三类：热塑 性聚合物、固化型聚合物和溶剂挥发型聚合物。
热塑性聚合物有聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、 聚丙乙烯等；
固化型聚合物有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂 和聚氨酯等，它们与固化剂混合后，经过一段时间固化变 硬后得到微流控芯片；

精选课件
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08 微流控芯片相关企业
国内企业
目前，国内也涌现了大量初创微流控企业，主要集中分布在北上深及其周边地区，企业类型 分为芯片设计制造、分子诊断、细胞检测、免疫诊断、生化检测以及综合性企业，其中上市 公司也有近十家，但是国内微流控企业真正商业化的产品还屈指可数，与国外企业在微流控 产品商业化上仍有较大差距。
精选课件
PDMS芯片
玻璃芯片
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07 微流控芯片的应用
历经二十多年的研究与发展，如今微流控芯片的含义已越来越丰富，其应用领域也从分析化
学平台扩展至医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂
的检测、微化工等众多新领域。
分子诊断
医学研究
药物合成
蛋白质晶型筛选
微流控芯片
3D打印
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精选课件
05 微流控芯片的分类
按应用领域
1.环境分析与监测类芯片
空气质量检测芯片
水质实时监测芯片
2.细胞培养与研究类芯片
重金属监测类芯片
有毒有害化合物类
细胞层受创愈合研究芯片
精选课件
细胞相互作用研究
流式细胞计数芯片
细胞常规培养芯片
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05 微流控芯片的分类
按应用领域
3.化学分析类微流控芯片
芯片毛细管电泳类
微化工
传统化工过程中的“三传一反”在微尺度下可得到强化，基于微流控技术发展起来的微化工 ，可实现化工过程“更好”、“更快”、“更安全环保”、“更经济”的优势，有望解决传 统化工存在的设备投资大、运行和维护成本高、过程能耗、安全系数高等问题。
“更好”
“更快”
高收率 更好的选择性
高时空收率 高生产能力

Microfluidic chips have provided a powerful platform for accomplishing droplet formation and manipulation within one chip of only a few square centimeters in size.
Contents
ABSTRACT Background Experiment Discussion
ABSTRACT
Microdroplets offer unique compartments for accommodating a large number of chemical and biological reactions in tiny volume with precise control. A major concern in droplet-based microfluidics is the difficulty to address droplets individually and achieve high throughput at the same time.
start the controller to aspirate certain
volumes of samples and oil
into the Capillary sequentially
introduce the generated droplets into the PDMS
chip for merging, mixing, detection,
Innovate
This context shows a hybrid device :the cartridge droplet generation technique combined with a microfluidic chip.

芯片实验室应用和发展
• 核酸的扩增，分离及测序仍是微流控芯片 应用的主要领域。最早的关于核酸的应用 是在微流控芯片上实现DNA酶解和限制性 片断电泳，后来又发展了集成细胞或细菌 裂解，PCR扩增和电泳分离的微流控芯片 检测。在PCR技术上，PCR体系的反应体 积也从微升级降到纳升级，极大地缩短了 反应时间；
• 凡是能控制微通道闭合和开启状态的部件，并具有低泄漏， 低功耗，响应快，线性操作等性能，均能作为微流控芯片 中的微阀。 • 微反应器是一种单元反应界面为微米级的微型化学反应系 统，随着微反应器线性尺度的减小，对化学反应非常重要 的浓度，压力，密度，温度等梯度很快得到增加，从而使 混合和反应时间缩短到毫秒级以下。 • 生物样品分析如DNA杂交，酶反应，蛋白折叠等均涉及到 样品的快速均匀混合，反应物的混合程度直接影响着反应 的速率和产物的得率；微通道中通道较短，体积较小，反 应时间很短，反应相对难以完成，所以快速均匀混合显得 尤其重要，因此微混合器也就成为微流控集成设计的重要 组成部分。
操作程序简述
• 不同功能的微流控芯片的制作 • 样品处理 利用不同的方法如微过滤或双向 电泳分离细胞、DNA等样品； • 生物化学反应 依照微流控芯片的功能类型， 在控制温度的微量反应池中进行PCR扩增 DNA、酶反应或免疫反应； • 结果检测 经芯片杂交后，检测激光激发的 荧光信号或酶的显色反应。
0.3 % MC with EtBr
Buffer
Analysis
detection
Sample Separation of x174-Hae Ⅲ Digest
Gel electrophoresis
1-3ｈ Capillary electrophoresis
sample

5.1 微流控芯片概述
电渗泵结构示意图
➢ 150nm的微泵电极采 用光刻技术加工与玻
璃盖板的表面；微流 道（30μm深、 60μm 宽 ）加工于PDMS底 板上。
➢ 在0.06-15mm间距的 电极对间施加5-40V的 电压，可获得0.010.14mm/s的流速
5.1 微流控芯片概述
• 传热
微通道尺度微小，比表面积很大，体系内的传热迅速，该特 性有利于放热体系温度的控制。
• 层流提供了在微小空间内控制样品浓度、温度等指 标的可能性。
5.1 微流控芯片概述
5.1 微流控芯片概述
NATURE |VOL 434 | 28 APRIL 2019
5.1 微流控芯片概述
• 传质
流体中的溶质和不溶性微粒可通过分子扩散在两相之间转移。 对于球形粒子
扩散系数D
分子扩散通过L距离所需 的扩散时间
管总长度的1%~2%，否 则将影响分离效率
5.1 微流控芯片概述
毛细管电泳： 4.5min内分离了24种 金属离子； 阳极进样，阴极检测； 具有很高的灵敏度；
5.1 微流控芯片概述
1992年微全分析系统TAS
1994年以后，美国一些著名大学研究组的介入使该领域的发展 迅速出现高潮。 1994年Ramsey group 2019年Mathies group 2019年 Caliper Technologies 公司 2019年Whitesides group 2019年惠普公司研制出第一台微流控芯片商品化仪器开始销售 2019年 Lab-on-a-chip学术季刊创建 （2019年中国自然科学基金委启动第一个重大研究计划） 2019年Nature杂志发表芯片实验室专辑
根据芯片功能分类