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微流控芯片技术及其在生命科学中的应用摘要：微流控芯片最初起源于分析化学领域，是一种采用精细加工技术，在数平方厘米的基片，制作出微通道网络结构及其它功能单元，以实现集微量样品制备、进样、反应、分离及检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析实验装置。
随着微电子及微机械制作技术的不断进步，近年来微流控芯片技术发展迅猛，并开始在化学、生命科学及医学器件等领域发挥重要作用。
本文首先简单介绍了微流控芯片的相关技术，然后主要阐述了其在蛋白质研究、细胞研究、DNA分析和测序、仿生研究等方面的应用。
关键字：微流控芯片，生命科学，应用Abstract: Microfluidic chip technology originated from analytical chemistry, adopts microfabrication technologies to make microchannels on a chip about several square centimeters. The technology can integrate the sample’s injection, separation and detection into a single chip. The advantage of microfluidics is rapid, high efficiency and low consumption. With the progress of microelectronics and other microfabrication techniques, the technology of microfluidic chip developed rapidly recent years, and began to play more and more important roles in chemistry, biology and medical instruments. This artical introduced the related technologies of microfluidic chip, and then mainly expounded its applications in protein research, cell research, DNA analysis and detection, and bionic research.Keywords: microfluidic chip; life science; application前言微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被成为芯片实验室。
pcr微流控器件制备
PCR微流控器是一种利用微流控技术来实现PCR反应的
装置。
它将微流控技术应用于PCR反应，具有高灵敏度、高
精度、体积小、控制精确、成本低廉等优势。
PCR微流控器
可以在微量空间中实现PCR反应，并且可以提高反应操作的
灵活性和精度。
PCR微流控器的制备包括准备反应体系和微流控器件。
首先，将需要用于PCR反应的基因片段、引物、DNA模板等
物质溶解在特定的反应液中，形成PCR反应体系。
其次，将
微流控器件进行制备，包括安装微流控控制单元、安装电热管、安装温度传感器等，将热控控制单元和电热管连接在一起，用以控制反应温度。
最后，将PCR反应体系与微流控器件连接
起来，并进行反应调节，以实现PCR反应。
PCR微流控器的准备工作非常复杂，尤其是连接PCR反
应体系与微流控器件的部分需要非常小心，以防止误操作。
此外，在安装微流控器件时，应注意其温度控制范围，以最大程度地提高温度控制精度，以保证反应的准确性和灵敏度。
PCR微流控器的制备需要严格按照操作规程进行，只有
经过严格的操作，才能保证其功能的正确性和可靠性。
此外，PCR微流控器的制备过程还需要严格检查和检验，以确保制
备的器件可以正确地实现PCR反应。
总之，PCR微流控器的制备是一个复杂而又精细的工作，需要严格按照操作规程，经过精密的控制和检查，才能保证其功能的正确性和可靠性。
微流控芯片的设计与制备技术1.结构设计：微流控芯片的结构设计是指通过计算机辅助设计软件对芯片的微结构进行设计。
设计中需要考虑芯片的功能需求、流体的流动特性以及制造工艺的可行性等因素。
2.流动控制：微流控芯片的主要功能是可精确地控制微小流体的流动。
因此，设计中需要考虑如何将来自不同通道的流体混合、分离、分配和离子交换等问题。
通过设计微流道和阀门等结构，可以实现对微小流体的精确控制。
3.材料选择：微流控芯片通常使用聚合物材料或玻璃等材料制成。
在设计中需要选择合适的材料，使得芯片能够承受流体的压力和温度，并且易于加工和封装。
4.尺寸优化：微流控芯片的尺寸通常在微米至毫米的范围内。
设计中需要优化芯片的尺寸，使得芯片的尺寸尽可能小，同时不影响流体的流动和控制。
1.光刻技术：光刻技术是指通过用光刻胶涂覆在芯片表面上，然后用紫外光照射在覆膜上的掩模曝光，形成所需结构图案的技术。
光刻技术是制备微流控芯片的关键技术之一2.软印技术：软印技术是将受热熔融的微流控芯片材料用胶印机印在制备基板上的技术。
通过软印技术可以制备实际应用中需要的复杂结构。
3.成型技术：成型技术是将微流控芯片的材料加热至熔化状态，然后放置在模具中冷却固化的技术。
通过成型技术可以制备出具有所需形状和尺寸的微流控芯片。
4.封装技术：封装技术是将微流控芯片与其它部件或连接器件进行连接和封装的技术。
通过封装技术可以保护芯片的结构完整性，并提供与外部系统的连接接口。
总而言之，微流控芯片的设计与制备技术是一个复杂而有挑战性的领域。
只有通过综合考虑流体力学、材料学、制造工艺等多个因素，才能实现微流控芯片的精确控制和功能实现。
微流控芯片制作方法详解微流控芯片（Microfluidic chip）是一种集成了多功能微型流体通道和微型微处理器的微小化芯片，可以实现精确的流体控制和微型反应。
微流控技术在生物医学、分析化学、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
下面将详细介绍微流控芯片的制作方法。
1.芯片设计2.光刻制作主模板微流控芯片的制作是通过光刻技术来实现的。
首先制作的是一个主模板，用于制作通道的模具。
首先在一块硅片上涂覆一层光刻胶（photoresist），然后将芯片设计中的模板图案通过光刻机进行曝光，曝光之后使用显影工艺将光刻胶进行开发，形成曝光和未曝光区域。
最后使用氧化工艺将未曝光区域的光刻胶进行去除，得到主模板。
3.制作模具将主模板受控地与PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料接触，使PDMS材料在主模板上复制出具有相同形状的微通道结构。
首先将PDMS材料A和B按照一定的比例混合均匀，然后倒入主模板的孔洞中。
将其放入真空浸泡块中，将PDMS材料中的气泡排出。
待PDMS材料固化后，从主模板上将PDMS模具剥离下来。
4.封闭模具将PDMS模具与玻璃片或另一块PDMS片接触，形成一层封闭的通道结构。
首先将PDMS模具和底板的表面涂上适量的粘结剂，然后将其放在一起，并使用真空吸附使其粘合在一起。
将其放在温烤箱中进行烘烤，以使PDMS材料与玻璃片或另一块PDMS片粘在一起。
5.接口制作为了使微流控芯片与外部仪器连接，需要在芯片上制作出接口。
接口一般包括进样口和出样口。
可以通过钻孔或者切割技术在芯片上制作出孔洞，以便于方便连接。
6.清洗制作完微流控芯片后，需要进行清洗处理。
首先将芯片放入去离子水中，去除表面的灰尘和杂质，然后将芯片放在洗涤液中进行超声波清洗，以去除残留的光刻胶和其他污染物。
7.功能化修饰为了提高芯片的稳定性和流体控制的准确性，可以对芯片进行功能化修饰。
一种常用的方法是将芯片表面进行表面处理，使其具有特定的物理化学性质，如疏水性或亲水性等。
微流控芯片制作流程
微流控芯片是一种基于微纳米技术的微型化流体控制系统，可以实现微小流体的精确控制和操作。
它具有体积小、成本低、操作简便等优点，被广泛应用于生物医学、化学分析、环境监测等领域。
下面介绍微流控芯片的制作流程。
1. 设计芯片结构
首先需要根据实际需求设计芯片的结构，包括通道、阀门、混合器等。
设计软件可以使用AutoCAD、SolidWorks等，也可以使用专业的微流控芯片设计软件，如COMSOL Multiphysics、CoventorWare 等。
2. 制作掩膜
将设计好的芯片结构转化为掩膜，掩膜是用于制作芯片的模板。
掩膜可以使用光刻技术制作，即将芯片结构图像投射到光刻胶上，然后通过光刻和蚀刻等步骤制作出掩膜。
3. 制作芯片
将掩膜放置在芯片材料上，如玻璃、聚合物等，然后通过蚀刻、离子注入等步骤制作出芯片结构。
制作过程中需要注意控制温度、时间、压力等参数，以保证芯片结构的精度和质量。
4. 封装芯片
将制作好的芯片与外部设备连接，如泵、检测器等，然后进行封装。
封装可以使用胶水、热熔膜等材料，以保证芯片的稳定性和密封性。
5. 测试芯片
制作好的芯片需要进行测试，以验证其性能和功能。
测试可以使用显微镜、荧光显微镜、高压液相色谱等设备，对芯片的流体控制、混合、分离等功能进行测试。
以上就是微流控芯片的制作流程，其中每个步骤都需要精细的操作和严格的控制，以保证芯片的质量和性能。
随着微纳米技术的不断发展，微流控芯片将会在更多的领域得到应用。
微流控芯片核酸恒温扩增仪技术要求随着生物学研究的发展，核酸恒温扩增技术在基因检测、疾病诊断和药物研发等领域具有重要应用价值。
传统的PCR方法虽然能够实现核酸扩增，但其需要复杂的设备和操作步骤，且耗时较长。
而微流控芯片核酸恒温扩增仪技术则具有快速、高效、自动化等优势，因此备受关注。
微流控芯片核酸恒温扩增仪技术要求如下：1. 高度集成化：微流控芯片核酸恒温扩增仪需要实现多个功能的集成，包括样品处理、核酸提取、扩增反应和信号检测等。
因此，芯片的设计应考虑到这些功能的紧密结合，以提高整体效率和准确性。
2. 微体积反应：微流控芯片核酸恒温扩增仪利用微流控技术将待扩增的核酸样品与反应试剂混合，形成微小的反应体系。
这种微体积反应可以显著降低试剂消耗量，缩短反应时间，并且具有更高的灵敏度和准确性。
3. 自动化操作：微流控芯片核酸恒温扩增仪需要实现样品处理、试剂加注、温度控制、反应监测等多个步骤的自动化操作。
这样可以减少人为误差，提高实验的重复性和可靠性。
4. 稳定的恒温控制：核酸恒温扩增需要在特定的温度条件下进行，因此微流控芯片核酸恒温扩增仪需要能够提供稳定的恒温控制。
恒温控制的稳定性对于扩增效果的准确性和可重复性至关重要。
5. 高灵敏度的信号检测：核酸恒温扩增的结果通常通过荧光信号检测来实现。
微流控芯片核酸恒温扩增仪需要具备高灵敏度的信号检测系统，能够准确地检测到微小的信号变化，并将其转化为可视化的结果。
6. 数据分析和处理：微流控芯片核酸恒温扩增仪需要具备数据分析和处理的能力，将信号检测得到的数据进行解析，并生成相应的结果。
数据分析和处理的准确性和高效性对于实验的可靠性和实用性至关重要。
7. 系统稳定性和可靠性：微流控芯片核酸恒温扩增仪作为一种高端科研仪器，需要具备良好的系统稳定性和可靠性。
在长时间的连续工作中，仪器应能够保持高质量的实验结果，并且具备较长的使用寿命和良好的维护性。
8. 灵活性和可扩展性：微流控芯片核酸恒温扩增仪的设计应具备一定的灵活性和可扩展性，以适应不同实验需求的变化。
微流控芯片制作流程
微流控芯片是一种小型化、高灵敏度和高通量的实验平台，广泛应用于微生物学、生物医学、化学分析等领域。
其制作流程主要包括以下步骤：
1.芯片设计：包括芯片结构、流道形状、流速计算等。
2.芯片制作：主要有光刻、电子束曝光、薄膜沉积等步骤。
其中光刻是最常用的制作方法，通过将芯片表面涂覆光刻胶，然后使用光刻机进行曝光和显影，以形成所需的芯片结构。
3.芯片表面修饰：包括化学修饰、生物修饰等，可以在芯片表面引入生物分子或化学分子，以实现特定的实验目的。
4.芯片封装：将制作好的芯片与压力控制系统、显微镜等设备进行连接和封装，以实现实验的自动化和可重复性。
5.实验操作：在芯片内加入样品和试剂，通过压力控制系统控制流速和流动方向，进行实验操作并观察结果。
微流控芯片制作流程繁琐，需要多种工艺的配合和精密的设备，但其具有高效、经济、低样品消耗等优点，在科研和临床应用中具有广泛的应用前景。
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微流控芯片的使用方法一、微流控芯片的使用方法：1.准备工作：根据实验需要设计合适的芯片结构并进行加工制备。
选择适合的材料，如玻璃、聚合物等，制备芯片基底。
使用光刻、电子束曝光等工艺制备芯片通道结构。
最后，使用薄膜键合等方法将芯片密封。
2.流体控制：将需要处理的样品或试剂注入芯片入口。
利用外部压力或电力驱动微流体在通道中流动。
可以通过调整外部压力、电压等参数，控制液体的流速、流动路径和连接等。
3.温度控制：根据实验需要，可以在芯片上加热或冷却装置，实现温度控制，如PCR反应中的热循环。
4.光控制：微流控芯片通常与光学检测器（如显微镜、荧光探测器等）结合使用，可以通过光学成像监测微流体中的颗粒、细胞等。
5.数据采集和分析：使用适当的仪器或系统，采集和记录通过芯片流动的数据。
可以使用图像处理、信号处理等方法进行数据分析和图像重建，提取目标物的信息。
二、微流控芯片的应用：1.生物分析：微流控芯片可以用于DNA分析、蛋白质检测、单细胞分析等生物分析领域。
通过在芯片上运用合适的探测方法，实现高通量、高灵敏度的样品分析。
2.化学合成：微流控芯片可以用于化学合成反应的微型化和加速。
通过精确控制微流体中的反应条件，可以实现单分子催化、高效合成等。
3.细胞处理：微流控芯片可以用于单细胞捕获、分选、培养等。
利用微流控芯片上特殊设计的结构，可以单独捕获、处理和培养细胞，为细胞研究提供了便利。
4.药物筛选：微流控芯片可以用于高通量药物筛选。
通过在芯片上构建细胞模型、组织模型等，实现对药物毒性、疗效等方面的快速评估。
5.环境监测：微流控芯片可以用于环境中染料、离子、金属离子等的快速检测。
通过适当的探测方法和模块化设计，可以对复杂水样、土壤样品等进行分析。
6.点阵化实验：微流控芯片结合高通量探测器可以实现点阵化实验。
将多种试剂、反应器等整合到一个芯片中，在一个实验中完成多个样品的处理，提高实验效率和节约成本。
7.单粒子分析：微流控芯片可以利用微流控的优势，实现对单个粒子（如微珠、胶体颗粒等）的分析。
![一种微流控芯片及其制备方法与应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/78de4faca1116c175f0e7cd184254b35eefd1a77.png)
专利名称：一种微流控芯片及其制备方法与应用专利类型：发明专利
发明人：汪骅,李敏,刘倩,何磊
申请号：CN202111556657.2
申请日：20211217
公开号：CN114632558A
公开日：
20220617
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种微流控芯片，包括：底层芯片、顶层芯片以及连接组件；所述底层芯片包括：设于所述底层芯片正中处的中心孔、若干第一逶迤通道、若干第一反应微室、若干第一连接通道以及若干第二连接通道；所述顶层芯片包括：若干第三连接通道、若干第二逶迤通道以及若干第二反应微室；本发明还涉及一种如上所述微流控芯片的制备方法以及如上所述微流控芯片在检测新型冠状病毒或/和流感病毒核酸中的应用。
本发明的微流控芯片实现了SARS‑CoV‑2、甲流病毒(FluA)H1N1、FluAH3N2和流感病毒(FluB)的高特异性和高灵敏度检测，为疫情防控提供全新的技术平台。
申请人：上海交通大学医学院附属仁济医院
地址：200120 上海市浦东新区东方路1630号
国籍：CN
代理机构：上海申新律师事务所
代理人：郎祺
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温度控制的PCR-CE微流控芯片的设计与制作
【摘要】微流控芯片在生物工程、医学等领域有很广泛的应用背景。
基于MEME工艺技术研究人员设计并制作一种可以实时温度控制的PCR-CE微流控芯片。
其中芯片系统设计主要包括芯片结构的制作和温度控制电路的设计两部分，本文详细介绍了芯片的组成、制作过程、温度控制电路的硬件系统设计、程序设计等主要内容，并进行相关实验验证了芯片的可操作性。
【关键词】微流控芯片；PCR-CE；Labview；温度控制
1.引言
微流控芯片的研究和发展已成为生物与医疗等领域的一个重点课题，因此设计一种能够完成某种实验的功能化芯片平台已成为科研人员关注的重点，性能良好的微流控芯片可以很好的解决实验中所遇到的难题，并且相对于其他大型设备，具有结构微小、使用便捷和制作费用较低等优势[1]。
基于上述微流控芯片的优势所在，利用微加工技术的特点，制作出一种集成式的PCR-CE芯片，主要目的是利用其作为PCR反应与CE分离检测的实验平台，较为方便与快捷的进行生物反应实验。
2.PCR-CE芯片的设计模型
我们设计的PCR-CE微流控芯片主要是要把分子的PCR反应与CE检测这两部分功能实现在同一块的芯片上，因为DNA的合成出的产物混在原料中，需要CE过程分离，并对产物进行检测，所以这两部分是一个连续的过程，相辅相成，因此将PCR与CE集成在同一块芯片上，提高了生物检测的效率。
本文设计的PCR-CE芯片为双层结构，基于玻璃材料具有热传导效果好、光学性能较好、表面改性容易、生物性能好、电渗效果优良等特性，以及聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS)具有获得高深宽比结构、生物性能较好、价格低廉和加工周期较短等特性[2]，采用PDMS-玻璃的复合芯片结构。
其中PDMS材料可以作为PCR反应腔室和CE分离的制作材料；玻璃材料作为芯片的基底，同时两者的封装键合的工艺简单实用，且封装后效果较好，所以便于制作出PDMS-玻璃的结构芯片。
3.加工与制备
加工制备芯片主要采用MEMS工艺，分别对芯片的上层PDMS盖片与下层Pt电极层进行微加工处理。
下面主要讲解芯片的加工过程。
3.1 掩膜版的制作
3.2 PDMS模具的制作
3.3 制作上层PDMS盖片
PDMS未使用前由两部分组成，为树脂和固化剂，两种物质均为液态。
当使用时，树脂与固化剂按10：1的比例混合。
制作所需的PDMS上层盖片时，将已经配好的PDMS混合物质浇注到已经制作好的负胶图形的模具上，并放置在一定高度的容器或者其他环境上，因为需要控制浇注的高度，如果直接浇注则流体会流出盖片范围。
大约浇注的厚度为5mm-7mm左右，这样便于在盖面的出口处键合管道入口管和防止外界空气进入盖片内部，而过厚的话将会引起固化过程出现形变严重，无法取到图形。
待浇注完毕后，放置于真空泵中进行抽气，30min 后取出，将之放置60℃的烘箱内进行固化处理，大约放置4个小时固化完全取出进行脱模处理[3]。
3.4 Pt电极层的制备
下层基板选用3.3英寸、1mm厚的玻璃基底，并在玻璃基底上加工一层铂电极[4]，具体过程如下：1)将上一步清洗干净的玻璃基底取出，用溅射机溅射一层3000A的厚的Pt金属层；2)将一溅射好的铂金属层的玻璃基板甩上正胶，根据所需电极的线宽不同，正胶的厚度大约为5-6um，如果线宽变大则甩胶的厚度也会相应提高；3)将甩好胶的基片用光刻机进行光刻处理，取出后立即进行显影过程，其中粗显大约1min左右，精显30s左右，同样需要用镊子夹住基板，在显影液中上下移动；4)将显影好的片子用专用的溅射刻蚀机进行等离子体照射击打，这样便能将未能用正胶覆盖部分的牺牲层去除；5)最后为了得到图形化的金属层，用丙酮和酒精去除覆盖在基片表面的正胶，即可得到最终图形化的Pt电极，作为下层基板使用。
3.5 PDMS盖片与Pt电极层的键合
在已图形化的Pt电极上甩一层很薄的PDMS，然后迅速放置甩胶机上，调至3000r/s的速度约1min左右[5]，这样便能得到一层很薄的PDMS层，同时放置60℃的烘箱内固化；同时将上层PDMS盖片放置等离子去胶机内照射约1min 左右取出，这时将下层电极基板从烘箱取出，这时候由于PDMS的固化作用，处于基本固化形成，但是仍有粘性的状态，这样在键合时便更能增加两者的结合力和提高封装的稳定性。
键合过程要注意对准环节，因为上下两层图形都有对准符号，只要把对准符号找准键合即可。
待键合完毕后，需要使PDMS薄层完全固化，所以需要再次将封装好的芯片放置60℃烘箱内。
4.PCR-CE芯片的温度控制电路设计
PCR的合成过程最核心的就是温度控制，即在变性、退火、延伸这三个过程依次稳定在90℃、60℃、72℃附近的区域，并且可以循环控制[6]，所以这是PCR-CE芯片的外围控制电路的设计核心，也是我们设计温度控制电路的目的所在。
我们所设计的控制系统有三个部分组成，这其中包括硬件控制系统、优良的控制算法和良好的人机界面平台。
设计核心就是利用芯片的Pt金属具有温度-电阻特性，即电阻随着温度的变化呈线性变化规律，这样利用相应的电路系统将Pt的实时电阻电阻值测出，并转化为电压信号，再利用输入到计算机软件中进行运算，根据运算结果实时转化为温度值与设定温度值进行比对，高于设定温度值则利用散热片与风扇的双重降温机制对PCR-CE芯片降温；而低于设定的温度值则会输出升温信号给Pt电阻，利用电路对Pt电阻进行升温控制[5]。
温控系统的硬件系统主要包括了PC平台、恒流源模块、信号放大输出模块、风扇散热片降温模块、电路加热模块和温度感应模块。
加热模块是当Pt实测温度值低于预设温度值时开始工作，软件系统便会发出信号驱动加热模块工作，使芯片能够迅速加热到预设温度，加热电路采用OPA603高电流运算放大器为核心芯片，将芯片与Pt加热电极与软件输出接口OA0连接，当PCR腔室需要升温的时候，软件系统便会控制加热电路通过Pt 加热电极对PCR腔室升温，加热模块可以提供200mA电流，便可以迅速升高Pt电极温度。
