流动的「芯」浅析微流控芯片

1、流动的芯浅析微流控芯片更新时间：2014-3-5资讯：资讯：浅析微流控芯片技术林炳承：微流控芯片技术 中国应奋起直追微流控芯片技术大事记IBM微流控芯片技术助力癌症诊断微流控芯片技术Lab on Chip开启基因组DNA质量评估新方法微流控芯片模拟药物在人体中的代谢过程问答：微流控芯片的进样方式有哪些？大家一般都用哪种方式进样啊？ 微流控分析系统从以电渗流为主要液流驱动手段发展到流体动力、气压、重力、离心力、剪切力等多种手段。微流控芯片的进样方式主要还是电动进样，即在外加电场的作用下，依靠电渗流将样品送入分离沟道。迄今为止，电动进样主要有悬浮进样、门进样和收缩进样等几种方式。其中悬浮进样是电动

2、进样方式中操作最简单的一种。该方法主要是将样品废液池接地，缓冲液池和废液池悬浮，当给样品池施加一定的电压时，样品就会沿着进样通道向样品废液池流动，从而实现样品的装入。采用门进样的方法是将样品池和缓冲液池的位置进行了交换，整个进样过程可分为3 步：（1）进样前让样品池和废液池都接地，给样品池和缓冲液池分别加上一定的电压，使缓冲液池中的缓冲液同时向废液池和样品池两个方向流动；（2）将缓冲液池和样品池悬浮一段时间，完成样品的装入；（3）使缓冲液池和样品池恢复到进样前的电位状态，样品进入分离通道，同时也为下一次进样做好了准备。该进样方式主要特点是可以实现连续进样。收缩进样的样品装入过程与悬浮进样不同，

3、样品池、缓冲液池和废液池都加上了电压，样品池接地。这样，在样品向样品池流动的同时，来自缓冲液池和废液池的缓冲溶液也向样品池移动，制止了样品朝这两个池子方向的扩散。收缩进样法最大的优点就是样品的进样量可以得到精确控制。 什么是PCR微流控芯片？ PCR(polymerase chain reacton) 微流控芯片是一种完美的体外无限扩增核酸的技术, 该技术就是将模板DNA、引物、Taq 酶、缓冲液混合均匀, 加入到芯片状固体支持物上加工的微反应槽, 然后让PCR混合物重复通过由不同方法加热的芯片上三个恒温区melting (94) : annealing (55) : extension(72

4、) , 从而实现DNA的变性、退火和扩增。微流控芯片是怎么做出来的？其制作方法有哪些？芯片微通道的制作主要有如下方法：（1）光刻化学腐蚀方法；（2）等离子或反应离子深刻蚀方法，微通道的截面形状为矩形，可得到较高的深宽比；（3）注塑、印模或激光烧蚀；（ 4）软刻蚀技术等。键合是微流控芯片加工中一个关键的工艺环节，一般可分为直接键合、静电键合、热键合和粘接等方法，不同的材料，其制作方法也有所不同。什么是PDMS微流控芯片？ PDMS指的是聚二甲基硅氧烷，它是常用的芯片材料。因聚合物表面具有惰性和憎水性 ,电渗流的大小和稳定性均低于玻璃或石英材料,使用前,通常需进行改性以增强表面的极性或亲水性来提高

5、和稳定电渗流。PDMS 改性中最常用的是等离子体改性 ,但等离子体氧化处理后的PDMS微芯片的电渗流极不稳定。现在国内研究微流控芯片技术的研究机构有哪些？ 北京：中科院电子所上海：中科院微系统研究所浙江大学微分析系统研究所方群教授的团队大连微分析系统研究所林秉承教授的研制组微流控芯片毛细管电泳是什么？ 就是在玻璃或石英等材料上刻制微细同道，然后加上电压进行分离的技术。该技术集中了毛细管电泳和色谱的优势于一体，是一种崭新的分析平台，目前国内有大连化物所，中科院及南通附属医院开展较多。微流体技术有什么特点？ 总体上看，该技术具有以下特点：（1）集成性，芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模也越来

6、越大。所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀（包括主动阀和被动阀），微泵（包括机械泵和非机械泵）；微混合器，微反应器，当然还有微通道和微检测器等。（2）分析速度快。（3）高通量。（4）能耗低，物耗少，污染小。每个分析样品所消耗的试剂仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积只需纳升级或皮升级。（5）廉价，安全。因此，微流控分析系统在微型化、集成化和便携化方面的优势为其在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。微流体技术的起源是什么？有没有相关的发展历程？ 微流体技术最早由瑞

7、士Ciba-Geigy公司的Manz与Widme在1990年提出，当时设想是发展一种可能作为一个化学分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件即-TAS。1993年Harrison和Manz等人在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，借电渗流实现了混合荧光染料样品注入和成功电泳分离。1994年始，美国橡树岭国家实验室Ramsey在Manz的工作基础上发表了一系列论文，改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，引起了更广泛的关注。1995年，美国加州大学的Mathies等在微流体芯片上实现了DNA等速测序，标志着芯片的应用开发进入了新阶段，首家微流体芯片企业Caliper T

8、echnologies公司也于该年9月成立。1996年Mathies又将基因分析中有重要意义的聚合酶链反应（PCR）扩增与毛细管电泳集成在一起，展示了微全分析系统在生物医学研究方面的巨大潜力。1998年之后，一些微流体芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪生产厂家合作，例如，Agilent与Caliper联合利用各自的技术优势推出首台这方面的分析仪器Bioanalyzer2100及相应的分析芯片。至此，微流体芯片技术的开发成为了研发热点。微流体芯片实验室主要有哪些部分构成？微流控芯片实验室主要有以下3部分构成：（1）芯片材料。在微米或者纳米的数量级上，可用于芯片的常见材料有玻璃，石英和各种塑料。玻璃

9、和石英有很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，可用比较熟悉的化学方法进行表面改性，加工成本较高，封接难度较大。常用的有机聚合物包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），弹性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚碳酯（PC）等，它们成本低，可用物理或化学方法进行表面改性，制作技术和玻璃芯片有较大的区别。（2）芯片分析系统，主要包括驱动源和信号检测装置。样品和试剂的充分接触、反应或分离必须有外力的作用，这种外力一般为电场力、正压力、负压力或微管虹吸原理产生的力。人们常采用高压电源产生电场力或泵产生正、负压力作为驱动源。由芯片内产生的信号需要被检测，目前最常用的检测手段是激光诱导荧光，此

10、外还有电化学、质谱、紫外、化学发光和传感器等。激光诱导荧光检测器主要由激光源、光学透镜组和以光电倍增管或CCD为主的荧光信号接收器件组成。特点是检测灵敏度高，被广泛采用；但现阶段其体积仍然偏大。驱动源和检测装置是芯片实验室仪器的主要组成部分，其体积的大小直接决定了芯片分析仪的大小，因此人们正努力追求将这两部分做到最小。目前，电化学检测由于其体积较小，与高压电源一起可制成便携式分析仪，加之有电化学响应的物质很多，所以在芯片中的应用研究较多。电化学检测器的一般做法是将电极集成到芯片上，采用安培或电导法进行检测，其中电泳分离电压对检测电流的干扰是电化学检测需要克服的问题之一。用于电化学检测的电极材料

11、有碳糊、碳纤维、铜丝、金丝等。被检测物质有氨基酸、肽、碳水化合物、神经递质等。集成电泳分离、酶联免疫和生物化学等于一体以实现多功能（例如多人同时检测或多种免疫指标的同时检测）的芯片实验室研发，体现了微流体芯片技术的集成化特点，也代表了微流体芯片技术的发展方向。（3）包含有实现芯片功能化方法和试剂盒。将质谱法、紫外-可见检测法等现有的检测方法移植到芯片实验室的检测上，是微流体芯片研究的主要思路。CFD软件FLUENT能计算微通道流体/纳米流体吗？FLUENT求解的是标准N-S方程，标准N-S方程是基于连续性假设的。FLUENT能否微流体/纳米流体，关键是要看此类流体适用于什么样的方程。经常采用的

12、判断方法：（a）计算克努森数（Knudsen Number），Kn=/L，式中是流体分子的平均自由程，L是系统的参考长度尺度。（b）Kn接近于0时，适用于欧拉方程（Euler Equation）来描述流体; （0，0.001），可以采用无滑移边界条件的N-S方程来描述流体; （0.001，0.1），可以采用有边界有滑移、温度有突跃的修正N-S方程来描述流体; （0.1，10）属于属过渡区；当kn大于10时，采用分子假设，适于用波尔兹曼方程（Boltzmann Equation）来描述流体。如稀薄气体流动，其分子平均自由程远大于系统的参考长度。常见的微流体（参考长度很小）Kn大多是大于0.001

13、，即一般情况下标准N-S方程无法计算。因此只要换算出Kn数就知道如何做了。文库： 高聚物基PCR微流控芯片技术PCR微流控芯片是一种完美的体外无限扩增核酸的技术, 是第三代PCR 技术。目前英国、德国、日本、中国等多家研究单位已经成功地应用自己研制的PCR 微流控芯片在实验室完成DNA 扩增。基于目前大多芯片采用硅或者玻璃作为基片, 存在加工工艺复杂和价格昂贵的缺点,通过对不同材料性能比较, 认为价格便宜、加工方法简单的高聚物数字微流控生物芯片片级设计及优化(Chip-Level Design and Optimization for Digital Microfluidic Biochips

14、)利用CAD技术对微流控芯片进行片级设计及优化。 键合方法对聚二甲基硅氧烷液滴型微流控芯片的影响液滴型微流控芯片表面性质是影响其性能的重要因素. 研究了不同键合方法对基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的液滴型微流控芯片微管道表面性质的影响, 并分别观察和评价了不同键合方法所制作液滴型微流控芯片应用于制备油包水和水包油两种液滴分散体系的效果. 结果显示热扩散键合方法适用于制作油包水型PDMS 液滴型微流控芯片, 而等离聚二甲基硅氧烷微流控芯片的紫外光照射表面处理研究研究了紫外光化学表面改性对聚二甲基硅氧烷(PDM S) 微流控芯片的片基间粘接力及毛细管通道电渗流性能的影响. PDM S 片基经紫外光

15、射照后, 粘接力增强, 可实现PDM S 芯片的永久性封合, 同时亲水性得到改善, 通道中的电渗流增大. 与文献报道的等离子体表面处理方法比较, 采用紫外光表面处理, 设备简单, 操作 聚二甲基硅氧烷-纸复合微流控芯片上的肝癌细胞三维培养研发了一种聚二甲基硅氧烷-纸复合型微流控芯片用于肝癌细胞三维培养。芯片使用明胶处理硝酸纤维素薄膜作为细胞培养基底,以水凝胶网格作为三维培养支撑。结合微通道主动灌流与水凝胶中的被动扩散,模拟体内的流体运输形式实现细胞与外界物质交换。实验结果显示,芯片上的液滴生成以及细胞定位种植简便可靠。连续监测显示肝癌HepG2 细胞在微流控芯片技术在生命科学研究中的应用微流控

16、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利用便携式微流控芯片快速检测微RNA(Rapid Sub-attomole MicroRNA Detection on a Portable Microfluidic Chip)利用微流控芯片技术快速、高效地检测微RNA。 发展中国家基于微流控芯片的传染病诊断技术(Microfluid

17、ics-based diagnostics of infectious diseases in the developing world)以卢旺达当地居民为样本，利用微流控芯片技术进行传染病诊断研究试验。 基于uC_OS_II的微流体芯片嵌入式实时系统构建本文构建具有DNA 聚合酶链式反应( PCR) 和毛细管电泳(CE)分离检测功能的微流体芯片uC/OS- II 嵌入式实时控制系统。本系统采用32 位嵌入式微控制器ARM 实现PCR 扩增所需的闭环温度控制功能, 毛细管电泳分离功能所需的高压电场自动调度功能。uC/OS- II 嵌入式实时操作系统加强了系统的实时性。模 便携式PCR_CE微流

18、体芯片分析仪控制系统设计本文设计并开发出用于DNA 聚合酶链式反应( PCR) 和毛细管电泳( CE) 分离的微流体芯片分析仪控制系统。本系统采用32 位嵌入式微控制器ARM 实现PCR 扩增所需的3 条恒温区的闭环温度控制和毛细管电泳分离功能所需的高压电场自动控制。由于对恒温区温度的精确控制是影响PCR 反应的关键因素, 因此温度控制系统采 复杂结构微流体芯片中的瞬态流型研究在低质量流速和高热流密度下，对复杂结构微流体芯片中的流动沸腾进行了瞬态流型研究，发现了毫秒级微时间尺度的周期性流型和微通道中的分层流。在单个微通道区域，液膜沿流动方向逐渐增厚且蒸干总是首先发生在其上游区域，而在不同微通道区域间，下游微通道首先蒸干。分析表明，液相弗劳德数(Froude number)较低是微通道中分层流 微流体芯片在乙型肝炎病毒基因型检测中的应用目的: 探讨微流体芯片检测乙型肝炎病毒基因型的价值。方法: 应用微流体芯片及基因测序技术检测41例慢性乙型肝炎患者感染的乙型肝炎病毒基因型; 比较两种方法检测结果的一致性。结果: 41例HBV患者中B基因型21例( 5112% ) , C 基因型20例( 4818% ), 未检测到B + C混合基因型感染。微流体芯片检微流体芯片技术在ABO血型基因分型中的应用本研究建立一种简单、可靠的ABO 基因检测结果报告评估方法。利用微流