仪器分析 课件 21.1 概述；21.2 方法与技术

*第二十一章

微流控分析芯片21.1.1

定义与发展过程21.1.2特点与前景第一节概述MicrofluidicanalysischipsGeneralization21.1.1概述目标:分析仪器及系统微型化、集成化、自动化、便携化微流控分析芯片则是实现这一整体目标的成功尝试。分析化学学科最活跃的领域和发展前沿。“芯片实验室”“个人化”、“家用化”流动注射分析:烦琐的、手工操作的化学分析过程自动化的成功实现.微流控分析芯片:

以微通道网络为结构特征，以微流体的操纵和控制为核心，

并将整个分析化验实验室的功能：采样、稀释、加试剂、混合、反应、分离及检测等集成在方寸大小的微芯片上，以完成某一分析测试任务，实现分析全过程的微型化、集成化、自动化、便携化的一种分析技术。发展过程：1990年，Manz和Widmer：提出μTAS)。

1992年，Manz与Harrison：展示巨大发展潜力。

1994年，美国橡树岭国家实验室的工作，引起了更广泛的关注。首届μTAS会议在荷兰举行，推广作用。

1995年之后，美国大学一系列研究：发展。2001年在美国：第五届μTAS会议。英国皇家化学会主编：“Lab-on-a-chip”

期刊，“芯片实验室”(Lab-on-a-chip，LOC)被广泛接受。争论与发展：1990年，瑞士Ciba-Geigy公司

Manz和Widmer：提出了“微型全分析系统”

（micrototalanalysissystems，μTAS)。“流动注射光度测定分析系统”多层单晶芯片结构的μTAS装置。开创了微流控分析芯片研究的先河。

新技术的争论！论文：

“用单晶硅与玻璃微加工的化学分析系统——通向下世纪的技术，还是仅仅一时的狂热？”

争论与发展：1992年，Manz与Harrison：微加工芯片上完成毛细管电泳分离的论文，展示了μTAS的巨大发展潜力。1994年始，美国橡树岭国家实验室以Ramsey：发表了一系列研究论文，改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能和实用性，引起了更广泛的关注。

同年，首届μTAS会议在荷兰恩舍得（Enchede）举行，起到了推广μTAS的作用。

争论与发展：

1995年，美国哈佛大学的whitesides报道了一系列与微流控芯片加工有关的新技术；1996年，美国加州大学的Mathies，微流控芯片多通道毛细管电泳DNA测序，为基因分析中的实际应用提供了重要基础。1999年出现了首个商品化的微流控芯片，目前已有十多种商品化微流控芯片。2001年美国第五届μTAS会议。英国皇家化学会主编：“Lab-on-a-chip”

期刊，“芯片实验室”（Lab-on-a-chip，LOC）。广泛接受。

21.1.2微流控分析芯片的特点与前景

微流控分析芯片：不仅仅是带来设备尺寸上的变化，也预示着新的理论和技术的革新。优点：（1）具有极高的效率；（2）试样与试剂消耗已降低到数微升水平；（3）容易制成功能齐全的便携式仪器，用于各类现场分析。（4）微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微，有利于普及。影响分析性能的主要因素与效应：

①层流效应；②表面张力及毛细效应；③快速热传导效应；④扩散效应。这些效应大多数使微流控分析芯片的分析性能显著超过宏观条件下的分析体系。分类：

μTAS：芯片式和非芯片式，依托于MEMS技术微流控（分析）芯片：微通道网络为结构特征，分析化学学科领域发展起来的，其目标是将整个分析系统微型化。微阵列（生物）芯片：微探针阵列为结构特征，在生物遗传学领域发展起来的，主要是以DNA分析为应用对象。表21-1微流控(分析)芯片与微阵列(生物)芯片的对比发展的初期阶段，都存在问题。

协调发展。存在的问题：

整体仍处于初期阶段，总体上既不够“微”，分析功能也远达不到“全”；集成度不够高；多数检测器的体积过大；制作成本高限制其推广应用。处于更深入开展基础研究、广泛扩大其应用领域的关键时期。前景明朗，目标明确，在不远的将来会出现更大的突破。

微流控芯片研究：

微流控芯片应用研究：

内容选择：结束21.1概述

21.2基本方法与技术

21.3应用

21.4

生物芯片*第二十一章

微流控分析芯片21.2.1

芯片材料与设计加工21.2.2微器件与微流体的驱动和控制21.2.3.微流控芯片中的各种效应21.2.4.微流控分析芯片中的进样技术

21.2.5.微流控分析芯片检测器

第二节基本方法与技术MicrofluidicanalysischipsBasemethodsandtechnology21.2.1芯片材料与设计加工一、材质无机材质和有机材质两大类。

无机材质：硅片，玻璃、石英等。

硅材料加工微泵、微阀及控制元器件等。玻璃和石英：使用最多的材料，其优点是透光性好，机械强度高，微加工工艺成熟。

有机材质：聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、聚氨酯及氟塑料等。种类多、成本低、适合大批量生产等。

二、膜制备技术

基片上沉积各种材料的薄膜

，重要方法有氧化、化学气相沉积、蒸发、溅射等。1.氧化：将硅片在氧化环境中加热到900℃～1100℃的高温，可以在硅的表面上生长出一层二氧化硅。2.化学气相沉积：制备多晶硅、二氧化硅和氮化硅膜。用硅烷(SiH4)作原料气，在低压反应器中热解生成硅和氢气，沉积温度550℃～700℃。温度低于600℃时得到的是无定形硅的薄膜。温度在630℃以上时生成多晶硅薄膜。３.蒸发真空加热（金、硅等或三氧化二铝、二氧化硅等）→气化（原子或分子）→沉积（基片表面成膜）

４.溅射

：多晶硅、二氧化硅和氮化硅膜。

真空电离（氩、氦）→轰击（电场作用离子轰击阴极靶）→溅射（靶原子、分子）→薄膜（阳极基片）。基片上沉积铝、钛、铬、铂、钯等金属薄膜和无定形硅、玻璃、压电陶瓷等非金属薄膜。已逐渐取代了蒸发镀膜。

三、微通道及微器件的加工技术

三种技术：光刻和蚀刻法、模塑法及热压法。

１.光刻和蚀刻技术2.模塑法

制作出通道部分凸起的阳模，然后在阳模上浇注液态的高分子材料，固化后取下获得具有微通道的基片。在此基础上发展起来的微加工技术又称为“软刻蚀”（softlithography）技术。

4.热压法

使用具有一定机械强度的阳模，在聚合物基片上压制出凹凸互补的微通道的技术。该法适合于批量生产。四、多层基片封合技术

多层基片封合构成微通道网络。1.热键合（fusionbonding）方法

硅片与硅片之间的封合。玻璃芯片：加热到温度550~650℃。石英芯片：加热到温度1000℃以上。高分子聚合物芯片：温度通常在120~180℃之间。2.阳极键合(anodicbonding)法基片和盖片间施加高电压，静电引力使芯片间化学键合。多用于玻璃-硅片及玻璃-玻璃间的键合。21.2.2微器件与微流体的驱动和控制微泵、微阀、微贮液器、微电极、微检测器

1.微致动器与微流体驱动技术

微致动器：产生机械部件的运动，提供动力。

微致动器与微阀一起组成微泵：流体驱动与控制。

微流体驱动系统的分类

低流量：nL/min~μL/min如何构造：微泵、微阀、微贮液器、微电极、微检测器？

微致动器（1）压电微泵

多层结构，阳极键合。致动器：压电圆盘。单向阀：悬臂梁型被动阀。

改变振动频率可改变液流的流速和脉动特性。将两个微泵并联反相工作有利于降低液流的脉动。

（2）热气动微泵

微致动器：空气室（有弹性单晶硅隔膜）、薄膜加热电阻。典型气室内径为8mm，高为400μm。

加热电压比压电致动低得多。结构紧凑、易微型化。

流量在10~100mL/min，最大泵压可达10kPa。

（3）静电微泵

四层结构。电极间一绝缘层。

原理：电极泵膜与固定的电极间的静电作用产生驱动力。施加电压时，两电极间距变短，产生吸液动作，反之产生排液动作。

特点：驱动频率远高于热气动微泵，脉动较小，流动平稳。

需要施加很高的电压，泵压较低。静电微泵

2.微阀的原理与加工技术功能：单向阀和切换阀；有无致动器：主动阀和被动阀。

（1）主动阀

原理：依靠致动器实现阀的开闭或切换操作。

特点：动作可靠、阀密封性好；结构复杂，附加体积大，加工和集成化难度大等不足。热气动致动单向阀（2）被动阀

特点：无需外动力，仅利用流体本身参数的变化（流动方向、流体压力）即可实现阀的状态改变。

优点：具有易加工，集成度高。典型被动微阀结构：

21.2.3微流控芯片中的各种特殊效应微通道的构型、表面性质无论是对流体控制还是对分析效果都产生重要影响。1.微通道构型与弯道效应

弯道效应：试样带在经过微通道的转向区域时所产生的试样带附加（与直线通道相比）变宽的现象。

产生原因：转向区域内流体的流动距离和电场强度因曲率半径的不同而存在着径向差异。

降低方法：改变通道构型来实现。

降低弯道效应的主要方法：改变通道构型（a）采用成对转向通道两转向区的弯道效应作用相反，可在一定程度上的相互补偿，但并不能完全消除。（b）缩小转向通道宽度，降低试样带变宽现象。（c）数学优化获得的构型。模拟计算结果表明弯道效应比传统构型小2~3个数量级。

数学优化获得的构型效果对比2.微通道表面改性与多相层流实现复杂微流控操作：通过控制微通道表面性质。

改性方法：涂覆改性；脉冲UV准分子激光器（KrF，248nm）照射，改变微通道内壁的表面电荷。

多相层流控制：在一个通道内实现两个流向相反的流体同时流动的操作。电渗流的方向由通道壁上的电荷极性控制。实现了在一个通道内，在同一外加电压下，两个流向相反的液流同时流动的情况，也即多相层流。3.层流效应与分子扩散效应

微通道：流体易形成层流状态，微流控系统的重要特性。流体中的惯性效应可以忽略，不产生流体内的对流作用（混合）。

应用：试样前处理、无膜过滤、渗析、萃取、相间反应及液流切换等操作。

问题：微尺度下如何实现流体的快速混合?在这种情况下，分子扩散成为粒子跨越流体界面的唯一方式。目前，微尺度下如何实现流体的快速混合的问题是一个重要的研究方向。

层流效应的应用：无膜过滤与过滤例：血液预分离的多相层流系统以血液试样为一相流体，以水溶液为另一相流体（接受液）。

此技术亦可进行较大离子（细胞或固体颗粒）与可溶性组分的分离，实现无膜过滤功能。

血液中的小分子物质因扩散速度快于大分子物质，首先依靠扩散穿过两相界面进入接受液中，实现小分子与大分子的分离，实现无膜渗析的功能。层流效应的应用：微流体开关

三相层流并行流动的状态。接触面很小，时间很短（小于秒级）时，可忽略混合效应。通过改变两载流的流速大小和相互比例，可控制试样流的宽度及其在通道中的位置。

21.2.4微流控芯片中的进样技术

电动进样：基于体积和时间两种1，2处悬浮（断开）问题：充样时，

十字通道处扩散，降效;取样时，泄漏，干扰。无歧视现象。电动简单进样（十字进样方式）

基于体积进样方式。进样技术1，2由悬浮改为接地；问题：充样时，

十字通道处仍有扩散，降效;取样时，泄漏消除。2.“T”形通道进样基于时间进样方式试样体积：充样电压和时间决定。优点：简单，充样体积可调。缺点：有歧视现象；无废液通道，换样不便。

3.门式进样“十”字交叉区，两液流互不干扰。

进样量：控制充样电压和时间。优点：同时保持连续流动，分析同时快速换样。

缺点：有歧视现象。

基于时间进样方式4.双“T”形通道进样（基于体积进样）

有更大的进样体积（调节双“T”通道间的距离），可改变进样量。体积进样的优点是消除了歧视现象且进样量固定。5.芯片进样过程中存在的问题

泄漏效应：交