《芯片原理與技術(shù)》課件微流控芯片

1、微 流 控 芯 片張彥婷鄭州大學(xué)生命科學(xué)院微流控芯片簡(jiǎn)介微流控芯片的制備微流控芯片的流體控制微流控芯片的檢測(cè) 微流控芯片的應(yīng)用目 錄Do you know?Micro Total Analysis System(MicroTAS, TAS) 微全分析系統(tǒng)Lab-on-a-Chip 芯片實(shí)驗(yàn)室LabchipMicrofluidic Chip 微流控芯片 微全分析系統(tǒng) (MicroTAS, TAS)通過化學(xué)分析設(shè)備的微型化與集成化，最大限度地把分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到便攜的分析設(shè)備中，甚至集成到方寸大小的芯片上。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)分析實(shí)驗(yàn)室的“個(gè)人化”、“家用化”。TAS可分為芯片式與非芯片式兩大類。芯

2、片式是發(fā)展重點(diǎn)，即微流控芯片。微全分析系統(tǒng)是microTAS中當(dāng)前熱點(diǎn)，它最集中地體現(xiàn)了將分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到芯片上的思想，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室。主要以分析化學(xué)和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機(jī)電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，它把整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集成在微芯片上。微流控芯片主要是在分析化學(xué)的學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展起來的微流控芯片原理簡(jiǎn)析主要依托學(xué)科：分析化學(xué)、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)特征：微管道網(wǎng)絡(luò)工作原理：微管道中流體控制前處理功能：多種技術(shù)供選擇集成化對(duì)象：全部化學(xué)分析功能應(yīng)用領(lǐng)域：全部分析領(lǐng)域微流控芯片微型全分析系統(tǒng)及微流控分析芯片發(fā)展簡(jiǎn)史50年代后期，

3、分析系統(tǒng)的自動(dòng)化、微型化趨勢(shì)Skeggs創(chuàng)立了間隔式連續(xù)流動(dòng)分析系統(tǒng)（SCFA） 玻璃器皿和量器 流體連續(xù)流動(dòng)的管道Ruzicka和Hansen于1975年提出了流動(dòng)注射分析（FIA） 利用了細(xì)管道(3的條件下，石英微通道內(nèi)壁通常帶負(fù)電（表面電離或吸附），于是表面附近的液體中形成了一個(gè)帶正電的雙電層（stem層和擴(kuò)散層），在平行于內(nèi)壁的外電場(chǎng)作用下，雙電層中的溶劑化陽離子或質(zhì)子引起微通道內(nèi)流體朝著負(fù)極方向運(yùn)動(dòng)電滲驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)流速大小可由外電場(chǎng)線性調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)電極可以集成在芯片上，從而縮小了芯片流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積各種芯片材料都可以誘導(dǎo)電滲流流體前沿為扁平狀微尺度下流體的特征微流體驅(qū)動(dòng)和控制概念驅(qū)動(dòng)：

4、通過力的作用使微流控芯片上的液體流動(dòng)控制：開關(guān)、控制流體的流速和流向及流體混合重要性微流體控制是微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的操作核心，在微流控芯片實(shí)驗(yàn)室所涉及的進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等過程都是在可控流體的運(yùn)動(dòng)中完成的。微閥實(shí)現(xiàn)開關(guān)，控制流體的流動(dòng)方向主要形態(tài)特征微泵實(shí)現(xiàn)流體的驅(qū)動(dòng)，起著傳輸液流和分配液流的作用微通道控制流體的流動(dòng)和混合微流體驅(qū)動(dòng)和控制微流體驅(qū)動(dòng)和控制-微泵機(jī)械微泵 包括離心力微泵、熱動(dòng)力微泵、靜電微泵、氣動(dòng)力微泵等1. 離心力微泵利用芯片在微電機(jī)帶動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力作為流驅(qū)動(dòng)力一般由加熱器和帶有薄膜的充滿氣體或液體的密封的腔體組成，其制動(dòng)原理 是電阻回護(hù)和自然冷卻導(dǎo)致密封

5、在腔體中的氣體壓力增大或減小，使泵腔體的薄膜變形，一起帶動(dòng)閥的開關(guān)，帶用液體的定向流動(dòng)微流體驅(qū)動(dòng)和控制-微泵2. 熱動(dòng)力微泵微流體驅(qū)動(dòng)和控制-微泵3. 壓電微泵向壓電雙晶片施加方波信號(hào)時(shí),壓電雙晶片在電場(chǎng)的作用下發(fā)生周期性彎曲變形,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)PDMS泵膜改變腔體的容積。當(dāng)壓電雙晶片帶動(dòng)泵膜向上移動(dòng)時(shí),泵腔體積增大,腔內(nèi)流體的壓強(qiáng)減小,使入口閥打開,同時(shí)出口閥關(guān)閉,流體在壓差的作用下流入泵腔。微流體驅(qū)動(dòng)和控制-微泵非機(jī)械微泵 基本原理：主要通過把電、光、磁、熱等能量形式轉(zhuǎn)化或施加到被驅(qū)動(dòng)流體而直接驅(qū)動(dòng)液體，使之具有運(yùn)動(dòng)動(dòng)能電驅(qū)動(dòng)微泵在微流控芯片中，最常用最有效的驅(qū)動(dòng)方式之一，如：電滲微泵通過是儲(chǔ)液

6、池的兩端放置外電極，通過在電極上施加電壓，在溶液中形成驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)微管道中的液體驅(qū)動(dòng)微流體驅(qū)動(dòng)和控制-微閥微閥：通過閥控制液體，使液體在指定方向流動(dòng)。分為主動(dòng)閥和被動(dòng)閥主動(dòng)閥：利用制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)閥的武裝或切換操作微流體驅(qū)動(dòng)和控制-微閥被動(dòng)閥：無需外來的制動(dòng)力，利用流體本身參數(shù)的變化即可實(shí)現(xiàn)閥狀態(tài)的改變進(jìn)樣方式微觀系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)的銜接決定了微流控芯片系統(tǒng)樣品引入的特殊性一般都采用樣品源內(nèi)置的方法，即芯片上有一個(gè)儲(chǔ)液池來容納樣品源，因其與微通道直接相連，進(jìn)樣時(shí)只需要對(duì)樣品施加壓力或電動(dòng)力進(jìn)樣方式電動(dòng)進(jìn)樣懸浮進(jìn)樣門進(jìn)樣壓縮進(jìn)樣壓力進(jìn)樣壓力電動(dòng)進(jìn)樣進(jìn)樣方式 電動(dòng)進(jìn)樣以電動(dòng)力作為其上樣、取樣的

7、驅(qū)動(dòng)力通過電壓切換，在十字交叉口處形成樣品區(qū)帶，并將其引入芯片樣品處理通道依照電壓施加策略的不同，可分懸浮進(jìn)樣、門進(jìn)樣、壓縮進(jìn)樣懸浮進(jìn)樣1.樣品池2.樣品廢液池3.緩沖液池4.廢液池進(jìn)樣方式門進(jìn)樣1.樣品池，2.樣品廢液池，3.緩沖液池，4.廢液池進(jìn)樣方式壓縮進(jìn)樣進(jìn)樣方式2. 壓力進(jìn)樣僅利用壓力將樣品區(qū)帶引入樣品處理通道優(yōu)點(diǎn)：壓力作用下，流體的行為與樣品組成、管壁帶電狀態(tài)等基本無關(guān)缺點(diǎn)：向微通道施加壓力操作繁瑣，所需設(shè)備較精密、昂貴2. 壓力電動(dòng)進(jìn)樣上樣驅(qū)動(dòng)力為壓力，取樣驅(qū)動(dòng)力為電動(dòng)力的進(jìn)樣方式兼具壓力進(jìn)樣和電動(dòng)進(jìn)樣的優(yōu)點(diǎn)同樣受限于壓力上樣的技術(shù)門檻進(jìn)樣方式微混合由于一般微流控裝置流體狀態(tài)以層流為主，因此微流控的微混合主要依靠擴(kuò)散提高層流條件下混合效率的主要原則為：拉伸或折疊流體以增大流體的接觸面積；利用分散混合設(shè)計(jì)，通過管路幾何交叉設(shè)計(jì)將大的液流拆分并重新組合，從而減小液流厚度，實(shí)現(xiàn)更有效混合。微流控芯片簡(jiǎn)介微流控芯片的制備微流控芯片的流體控制微流控芯片的檢測(cè) 微流控芯片的應(yīng)用目 錄微流控芯片檢測(cè)器的作用是將測(cè)定被分析樣品經(jīng)微流控芯