《芯片原理与技术》课件微流控芯片

1、微 流 控 芯 片张彦婷郑州大学生命科学院微流控芯片简介微流控芯片的制备微流控芯片的流体控制微流控芯片的检测 微流控芯片的应用目 录Do you know?Micro Total Analysis System(MicroTAS, TAS) 微全分析系统Lab-on-a-Chip 芯片实验室LabchipMicrofluidic Chip 微流控芯片 微全分析系统 (MicroTAS, TAS)通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上。最终目标是实现分析实验室的“个人化”、“家用化”。TAS可分为芯片式与非芯片式两大类。芯

2、片式是发展重点，即微流控芯片。微全分析系统是microTAS中当前热点，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的思想，又称芯片实验室。主要以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，它把整个实验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上。微流控芯片主要是在分析化学的学科领域发展起来的微流控芯片原理简析主要依托学科：分析化学、MEMS（微机电系统）结构特征：微管道网络工作原理：微管道中流体控制前处理功能：多种技术供选择集成化对象：全部化学分析功能应用领域：全部分析领域微流控芯片微型全分析系统及微流控分析芯片发展简史50年代后期，

3、分析系统的自动化、微型化趋势Skeggs创立了间隔式连续流动分析系统（SCFA） 玻璃器皿和量器 流体连续流动的管道Ruzicka和Hansen于1975年提出了流动注射分析（FIA） 利用了细管道(3的条件下，石英微通道内壁通常带负电（表面电离或吸附），于是表面附近的液体中形成了一个带正电的双电层（stem层和扩散层），在平行于内壁的外电场作用下，双电层中的溶剂化阳离子或质子引起微通道内流体朝着负极方向运动电渗驱动的特点流速大小可由外电场线性调节外加电场电极可以集成在芯片上，从而缩小了芯片流体驱动系统体积各种芯片材料都可以诱导电渗流流体前沿为扁平状微尺度下流体的特征微流体驱动和控制概念驱动：

4、通过力的作用使微流控芯片上的液体流动控制：开关、控制流体的流速和流向及流体混合重要性微流体控制是微流控芯片实验室的操作核心，在微流控芯片实验室所涉及的进样、混合、反应、分离、检测等过程都是在可控流体的运动中完成的。微阀实现开关，控制流体的流动方向主要形态特征微泵实现流体的驱动，起着传输液流和分配液流的作用微通道控制流体的流动和混合微流体驱动和控制微流体驱动和控制-微泵机械微泵 包括离心力微泵、热动力微泵、静电微泵、气动力微泵等1. 离心力微泵利用芯片在微电机带动下做圆周运动时产生的离心力作为流驱动力一般由加热器和带有薄膜的充满气体或液体的密封的腔体组成，其制动原理 是电阻回护和自然冷却导致密封

5、在腔体中的气体压力增大或减小，使泵腔体的薄膜变形，一起带动阀的开关，带用液体的定向流动微流体驱动和控制-微泵2. 热动力微泵微流体驱动和控制-微泵3. 压电微泵向压电双晶片施加方波信号时,压电双晶片在电场的作用下发生周期性弯曲变形,进而驱动PDMS泵膜改变腔体的容积。当压电双晶片带动泵膜向上移动时,泵腔体积增大,腔内流体的压强减小,使入口阀打开,同时出口阀关闭,流体在压差的作用下流入泵腔。微流体驱动和控制-微泵非机械微泵 基本原理：主要通过把电、光、磁、热等能量形式转化或施加到被驱动流体而直接驱动液体，使之具有运动动能电驱动微泵在微流控芯片中，最常用最有效的驱动方式之一，如：电渗微泵通过是储液

6、池的两端放置外电极，通过在电极上施加电压，在溶液中形成驱动电场来实现微管道中的液体驱动微流体驱动和控制-微阀微阀：通过阀控制液体，使液体在指定方向流动。分为主动阀和被动阀主动阀：利用制动器产生的制动力实现阀的武装或切换操作微流体驱动和控制-微阀被动阀：无需外来的制动力，利用流体本身参数的变化即可实现阀状态的改变进样方式微观系统和宏观系统的衔接决定了微流控芯片系统样品引入的特殊性一般都采用样品源内置的方法，即芯片上有一个储液池来容纳样品源，因其与微通道直接相连，进样时只需要对样品施加压力或电动力进样方式电动进样悬浮进样门进样压缩进样压力进样压力电动进样进样方式 电动进样以电动力作为其上样、取样的

7、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依照电压施加策略的不同，可分悬浮进样、门进样、压缩进样悬浮进样1.样品池2.样品废液池3.缓冲液池4.废液池进样方式门进样1.样品池，2.样品废液池，3.缓冲液池，4.废液池进样方式压缩进样进样方式2. 压力进样仅利用压力将样品区带引入样品处理通道优点：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缺点：向微通道施加压力操作繁琐，所需设备较精密、昂贵2. 压力电动进样上样驱动力为压力，取样驱动力为电动力的进样方式兼具压力进样和电动进样的优点同样受限于压力上样的技术门槛进样方式微混合由于一般微流控装置流体状态以层流为主，因此微流控的微混合主要依靠扩散提高层流条件下混合效率的主要原则为：拉伸或折叠流体以增大流体的接触面积；利用分散混合设计，通过管路几何交叉设计将大的液流拆分并重新组合，从而减小液流厚度，实现更有效混合。微流控芯片简介微流控芯片的制备微流控芯片的流体控制微流控芯片的检测 微流控芯片的应用目 录微流控芯片检测器的作用是将测定被分析样品经微流控芯