微流控芯片简介ppt课件

1 微流控芯片简介 2 微流控芯片技术 Microfluidics 是把生物 化学 医学分析过程的样品制备 反应 分离 检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上 自动完成分析全过程 一 什么是微流控芯片 Labonachip 3 微流控是一种精确控制和操控微尺度流体 尤其特指亚微米结构的技术 特别的 微意味着以下的特性 微小的容量 纳升 皮升 飞升级别 微小的体积低能量消耗装置本身占用体积小微流控利用对于微尺度下流体的控制 是一个包括了工程学 物理学 化学 微加工和生物工程的多交叉学科 微流控在20世纪80年代兴起 并在DNA芯片 芯片实验室 微进样技术 微热力学技术得到了发展 微流控研究的空间特征尺度范围在1微米 10 6米 至1毫米 10 3米 一 什么是微流控芯片 4 二 微流控芯片能做什么 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分析化学领域 它可以使以前大的分析仪器变成平方厘米尺寸规模的分析仪 将大大节约资源和能源 5 2004年 美国期刊 商务2 0 Business2 0 的封面文章 七大新技术将改变一切 中第五种即是微流控芯片系统2006年Nature杂志就这种可能会成为 这一世纪的技术 推出专辑 微流控芯片系统作为第三次产业革命 生物科技革命 的佼佼者正重演当初电子芯片的蓬勃发展态势 它必将改变人类将来的生活方式 1995年全球第一家微流控芯片企业CaliperTechnologies 现名 CaliperLifeSciences 在美国成立 一年即集资近千万美元 而后1999年成功上市 同年市值达到了7500万美元 并于2011年达到市值10亿美元 二 微流控芯片能做什么 2020 4 25 6 微流控芯片系统涉及领域极其广泛 包括疾病检测 生化分析 蛋白质检测 药物筛选 毒品检测 商品检验 环境监测 刑事科学 军事科学及航天科学等 覆盖人们生活的方方面面 二 微流控芯片能做什么 7 二 微流控芯片能做什么 NannanYe aJianhuaQin aWeiweiShi aXinLiuaandBingchengLin aLabChip 2007 7 1696 1704a 8 二 微流控芯片能做什么 R H Liu J N Yang T Lenigk J Bonanno P Grodzinski Anal Chem 76 2004 1824 几千元 几十万元 9 微流控芯片技术 Microfluidics Micro 微小的fluidics 应用流体学 如何组成一套微芯片系统 10 进样器注射泵 工作时 单片机系统发出控制脉冲使步进电机旋转 而步进电机带动丝杆将旋转运动变成直线运动 推动注射器的活塞进行注射输液 实现高精度 平稳无脉动的液体传输 恒压泵 恒流泵精准 耐用 输送流量稳定 连续可调有较高的压力和扬程 而且输送物质不与外界接触 防止污染 各种流量加液抽液 有微量输送 也可作小型罐装用 进样器 11 电泳 带电颗粒在电场作用下 向着与其电性相反的电极移动 称为电泳 electrophoresis EP 利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术 磁分选 处于磁场中的磁性物质或电流 会因为磁场的作用而感受到磁力 从而与其他不带磁性的物质进行分离 热传导 热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象叫传热 进样器 12 进样器 重力驱动 利用液体自重完成进样 13 离心力驱动 CentrifugalMicrofluidicsPlatform Anal Chem 2002 74 5569 5575 14 制备和反应 将常规的混合 加热等步骤 在芯片上通过液体的流路控制来实现 微芯片 Anal Chem 2002 74 1565 1571 15 培养 将常规的微生物 细胞 组织培养进行微型化 通过结构设计 把微通道变成培养皿 同时进行温度 湿度 气体浓度控制 实现生物培养功能 16 分离 对通道内进行修饰或者外加驱动力 根据停留时间不同实现不同物质的分离 达到常规色谱或者电泳的分离效果 17 光谱检测器 光谱仪 Spectroscope 是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器 由棱镜或衍射光栅等构成 利用光谱仪可测量物体表面反射的光线 阳光中的七色光是肉眼能分的部分 可见光 但若通过光谱仪将阳光分解 按波长排列 可见光只占光谱中很小的范围 其余都是肉眼无法分辨的光谱 如红外线 微波 紫外线 X射线等等 通过光谱仪对光信息的抓取 以照相底片显影 或电脑化自动显示数值仪器显示和分析 从而测知物品中含有何种元素 检测器 18 电化学检测器 以测量某一化学体系或试样的电响应为基础建立起来的一类分析方法 它把测定的对象构成一个化学电池的组成部分 通过测量电池的某些物理量 如电位 电流 电导或电量等 求得物质的含量或测定某些电化学性质 19 质谱 显微成像 20 从材料分有机聚合物芯片 PDMSPMMAPC等 玻璃芯片纸芯片其他 有哪些微流控芯片 21 PDMS 聚二甲基硅氧烷作为一种高分子有机硅化合物 通常被称为有机硅 具有光学透明 且在一般情况下 被认为是惰性 无毒 不易燃 最广泛使用的硅为基础的有机聚合物材料 其运用包括在生物微机电中的微流道系统 填缝剂 润滑剂 保护剂等 有哪些微流控芯片 22 分为A 基本组分 B 固化剂 两个组分混合均匀后加热固化固化后为透明软质材料优点 惰性 生物相容性 透明 易加工缺点 软 对蛋白质有吸附作用 23 PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯 PC 聚碳酸酯 俗称有机玻璃 亚克力 透明材料中质地最优异 价格又比较适宜的品种PMMA树脂是无毒环保的材料 可用于生产餐具 卫生洁具等 具有良好的化学稳定性 和耐候性 在破碎时不易产生尖锐的碎片 有哪些微流控芯片 24 PC是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物 有很好的光学性 PC高分子量树脂有很高的韧性 主要性能缺陷是耐水解稳定性不够高 对缺口敏感 耐有机化学品性 耐刮痕性较差 长期暴露于紫外线中会发黄 和其他树脂一样 PC容易受某些有机溶剂的浸浊 原料为透明板材 通道加工有模具热压 机床切割加工等 25 玻璃 硼硅酸盐玻璃 以SiO2和B2O3为主要成分 具有良好的耐热性和化学稳定性 用以制造烹饪器具 实验室仪器 金属焊封玻璃等 硼酸盐玻璃以B2O3为主要成分 熔融温度低 可抵抗钠蒸气腐蚀 含稀土元素的硼酸盐玻璃折射率高 色散低 是一种新型光学玻璃 磷酸盐玻璃以P2O5为主要成分 折射率低 色散低 用于光学仪器中 石英玻璃 SiO2含量大于99 5 热膨胀系数低 耐高温 化学稳定性好 透紫外光和红外光 熔制温度高 粘度大 成型较难 多用于半导体 电光源 光导通信 激光等技术和光学仪器中 钢化玻璃 属于安全玻璃 钢化玻璃其实是一种预应力玻璃 为提高玻璃的强度 通常使用化学或物理的方法 在玻璃表面形成压应力 玻璃承受外力时首先抵消表层应力 从而提高了承载能力 增强玻璃自身抗风压性 寒暑性 冲击性等 26 其他纸芯片金属芯片凝胶芯片等等 27 微结构的形成1 经典的光刻技术 Photolithographproceduresformakingglasstemplate a Spinecoatingofphotoresist b coveredwithphotomask c exposure d developing e etching and f removalofphotoresist 适合硅 玻璃 石英等材料 与传统的半导体工业的方法一致 分为湿法和干法两种 干法的分辨率较湿法高 相应的制造成本也高 Analyst 2004 129 305 308 芯片制作与修饰 28 2 模版浇注法 模塑法 Processoverviewformassmanufacturingofplasticmicrofluidicsystems 适合聚合物材料 大批量生产时成本低 Anal Chem 2002 74 78A 86A 微结构的形成 29 3 模版热压法 Schematicrepresentationofthefabricationmethodinvolvinghotembossingofthermoplasticpolymerpelletsandthermalbonding 适合热塑性聚合物 AppliedPhysicsLetters 2002 80 3614 3616 微结构的形成 30 微结构的形成4 激光刻蚀法 用激光直接在聚合物或玻璃上加热形成微结构 Anal Chem 1997 69 2035 2042 汶颢芯片科技 31 对玻璃和石英材质刻蚀的微结构一般使用热键合方法 将加工好的基片和相同材质的盖片洗净烘干对齐紧贴后平放在高温炉中 在基片和盖片上下方各放一块抛光过的石墨板 在上面的石墨板上再压一块重0 5kg的不锈钢块 在高温炉中加热键合 玻璃芯片键合时 高温炉升温速度为10oC 分 在620oC时保温3 5小时 再以10oC 分的速率降温 石英芯片键合温度高达1000oC以上 此方法对操作技术要求较高 现代科学仪器 2001 4 8 12 1 热键合 芯片的封装 32 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 现代科学仪器 2001 4 8 12 2 阳极键合 芯片的封装 33 3 室温键合 Anal Chem 2004 76 5597 5602 汶颢芯片科技 34 4 贴合 等离子处理或者不处理 将聚合物薄片直接覆盖在玻璃或石英板上 5 压合 Schematicillustrationofsealingandconnectionmethod Thetopandbottomplatesarepressedbyascrewandholders Anal Chem 2002 74 1724 1728 芯片的封装 35 表面修饰1 作为色谱固定相 coatingofchannelwallswithsomething e g octadecylsilanes tocreatestationaryphases Anal Chem 2002 74 784 789 Anal Chem 2003 75 64A 69A 汶颢芯片科技 36 2 固定化酶 Schematicdiagramofstreptavidin conjugatedalkalinephosphataseboundtoasupportedlipidbilayercontainingbiotinylatedlipids Anal Chem 2002 74 379 385 表面修饰 37 3 固定化生物膜 Langmuir2003 19 1624 1631 表面修饰 38 4 亲水或疏水修饰 Analyst2004 129 284 287 表面修饰 39 超净间 超净间 CleanRoom 亦称为无尘室或清净室 超净间 是指将一定空间范围内之空气中的微粒子 有害空气 细菌等之污染物排除 并将室内之温度 洁净度 室内压力 气流速度与气流分布 噪音振动及照明 静电控制在某一需求范围内 而所给予特别设计之房间 亦即是不论外在之空气条件如何变化 其室内均能俱有维持原先所设定要求之洁净度 温湿度及压力等性能之特性 超净间最主要之作用在于控制产品 如硅芯片等 所接触之大气的洁净度日及温湿度 使产品能在一个良好之环境空间中生产 制造 此空间我们称之为 超净间 工业超净间以无生命微粒的控制为对象 主要控制空气尘埃微粒对工作对象的污染 内部一般保持正压状态 它适用于精密机械工业 电子工业 半导体 集成电路等 宇航工业 高纯度化学工业 原子能工业 光磁产品工业 光盘 胶片 磁带生产 LCD 液晶玻璃 电脑硬盘 电脑磁头生产等多行业 生物超净间主要控制有生命微粒 细菌 与无生命微粒 尘埃 对工作对象的污染 又可分为 A 一般生物超净间 主要控制微生物 细菌 对象的污染 同时其内部材料要能经受各种灭菌剂侵蚀 内部一般保证正压 实质上其内部材料要能经受各种灭菌处理的工业超净间 例 制药工业 医院 手术室 无菌病房 食品 化妆品 饮料产品生产 动物实验室 理化检验室 血站等 B 生物学安全超净间 主要控制工作对象的有生命微粒对外界和人的污染 内部要保持与大气的负压 例 细菌学 生物学 洁净实验室 物物工程 重组基因 疫苗制备 需要什么条件 40 光刻机 光刻机 紫外曝光机 MaskAligner 又名 掩模对准曝光机 曝光系统 光刻系统等 常用的光刻机是掩膜对准光刻 所以叫MaskAlignmentSystem 一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干 涂底 旋涂光刻胶 软烘 对准曝光 后烘 显影 硬烘 刻蚀 等工序Photolithograph