圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室

作者課題組在這一領(lǐng)域的長期積累和已完成的工作作為基本內(nèi)容和具體案例貫穿全書。

《圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室》可供生命科學(xué)、化學(xué)及微機(jī)電加工(MEMs)等領(lǐng)域的科研、技術(shù)人員以及教師參考，也可作為高等院校、科研院所相關(guān)專業(yè)大學(xué)生和研究生的輔助教材。此外，還可供政府相關(guān)部門的管理人員閱讀參考。

序

第l章 緒論

1.1 基本概念

1.2 相關(guān)稱謂

1.2.1 微全分析系統(tǒng)

1.2.2 生物芯片

1.2.3 微陣列芯片

1.3 發(fā)展簡史

1.4 微流控芯片的基本特征

1.5 微尺度下流體的基本特征

1.5.1 層流

1.5.2 傳質(zhì)

1.5.3 電滲

1.5.4 傳熱

1.5.5 相變

1.6 應(yīng)用領(lǐng)域

1.6.1 化學(xué)

1.6.2 生物學(xué)和醫(yī)學(xué)

1.6.3 光學(xué)

1.6.4 信息學(xué)

參考文獻(xiàn)

第2章 芯片材料與芯片制作技術(shù)

2.1 常用微流控芯片材料與性能

2.2 芯片制作環(huán)境

2.3 硅、玻璃和石英芯片的制作

2.3.1 薄膜材料和沉積技術(shù)

2.3.2 光刻掩膜的制作方法

2.3.3 光刻的一般步驟

2.3.4 腐蝕方法及特性

2.3.5 去膠方法

2.4 硅、玻璃和石英芯片的打孔方法

2.5 硅、玻璃和石英芯片的封接流程

2.6 硅、玻璃和石英芯片的評(píng)估方法

2.7 高分子聚合物芯片的制作

2.7.1 熱壓法制作流程

2.7.2 模塑法制作流程

2.7.3 注塑法制作流程

2.7.4 LIGA技術(shù)制作流程

2.7.5 激光燒蝕法制作流程

2.7.6 軟光刻法制作流程

2.8 高分子聚合物芯片的打孔方法

2.9 高分子聚合物芯片的封接流程

2.10 高分子聚合物芯片評(píng)估方法

參考文獻(xiàn)

第3章 表面改性技術(shù)

3.1 表面改性技術(shù)概述

3.2 玻璃和石英芯片的表面改性

3.2.1 動(dòng)態(tài)改性

3.2.2 硅烷化反應(yīng)

3.3 熱塑性聚合物芯片的表面改性

3.3.1 本體摻雜

3.3.2 動(dòng)態(tài)改性

3.3.3 聚合誘導(dǎo)接枝

3.4 固化型聚合物芯片的表面改性

3.4.1 本體摻雜

3.4.2 共價(jià)偶聯(lián)

3.4.3 聚合誘導(dǎo)接枝

3.4.4 吸附一交聯(lián)

3.5 表面改性的表征技術(shù)

參考文獻(xiàn)

第4章 微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)

4.1 微流體驅(qū)動(dòng)

4.2 機(jī)械驅(qū)動(dòng)

4.2.1 氣動(dòng)微泵驅(qū)動(dòng)

4.2.2 離心力驅(qū)動(dòng)

4.2.3 壓電微泵驅(qū)動(dòng)

4.3 非機(jī)械驅(qū)動(dòng)

4.3.1 電滲驅(qū)動(dòng)

4.3.2 熱氣微泵驅(qū)動(dòng)

4.3.3 光學(xué)捕獲微泵驅(qū)動(dòng)

4.4 微流體控制

4.5 電滲控制

4.6 微閥控制

4.6.1 無源閥控制

4.6.2 有源閥控制

4.7 程序編制

參考文獻(xiàn)

第5章 進(jìn)樣和樣品預(yù)處理技術(shù)

5.1 液態(tài)樣品進(jìn)樣

5.1.1 區(qū)帶樣品進(jìn)樣

5.1.2 液滴樣品進(jìn)樣

5.1.3 連續(xù)樣品進(jìn)樣

5.2 氣/固態(tài)樣品進(jìn)樣

5.3 芯片實(shí)驗(yàn)室各種進(jìn)樣方式一覽

5.4 萃取

5.4.1 固相萃取

5.4.2 液液萃取

5.5 過濾

5.6 膜分離

5.6.1 膜過濾

5.6.2 滲析

5.7 等速電泳

5.8 場放大堆積

5.9 芯片實(shí)驗(yàn)室各種預(yù)處理手段一覽

參考文獻(xiàn)

第6章 微混合和微反應(yīng)技術(shù)

6.1 微混合

6.2 微混合器

6.3 被動(dòng)式微混合器

6.3.1 并行疊片微混合器

6.3.2 串聯(lián)疊片微混合器

6.3.3 混沌對(duì)流微混合器

6.3.4 液滴微混合器

6.4 主動(dòng)式微混合器

6.4.1 磁力攪拌型微混合器

6.4.2 聲場促進(jìn)型微混合器

6.4.3 電場促進(jìn)型微混合器

6.5 微反應(yīng)和微反應(yīng)器

6.6 微反應(yīng)器分類

6.7 微化學(xué)反應(yīng)器

6.7.1 按相分類

6.7.2 按樣品衍生與分離的相對(duì)順序分類

6.7.3 特殊微化學(xué)反應(yīng)器示例

6.7.4 高通量微反應(yīng)器示例

6.8 微型生物反應(yīng)器

6.9 聚合酶鏈反應(yīng)

6.9.1 PCR芯片的制作

6.9.2 芯片.PCR反應(yīng)分類

6.9.3 芯片PCR集成

6.10 免疫反應(yīng)

6.10.1 免疫反應(yīng)的分類

6.10.2 均相免疫反應(yīng)

6.10.3 非均相免疫反應(yīng)

參考文獻(xiàn)

第7章 微分離技術(shù)

7.1 概述

7.2 電泳分離的基本問題

7.2.1 電泳的譜帶遷移

7.2.2 電泳的譜帶展寬

7.3 芯片電泳分離常見模式

7.3.1 一維芯片電泳

7.3.2 多維芯片電泳

作 者: 林炳承，秦建華 著 叢 書 名:圖解版分析技術(shù)與實(shí)例叢書出 版 社: 科學(xué)出版社ISBN:9787030227164出版時(shí)間:2008-09-01版 次:1頁 數(shù):473裝 幀:平裝開 本:16開所屬分類:圖書 > 科學(xué)與自然 > 化學(xué)

微流控分析芯片最初只是作為納米技術(shù)革命的一個(gè)補(bǔ)充，在經(jīng)歷了大肆宣傳及冷落的不同時(shí)期后，最終卻實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。微流控分析芯片最初在美國被稱為"芯片實(shí)驗(yàn)室"(lab-on-a-chip)，在歐洲被稱為"微整合分析芯片"(micrototal analytical systems)，隨著材料科學(xué)、微納米加工技術(shù)和微電子學(xué)所取得的突破性進(jìn)展，微流控芯片也得到了迅速發(fā)展，但還是遠(yuǎn)不及"摩爾定律"所預(yù)測(cè)的半導(dǎo)體發(fā)展速度。今天阻礙微流控技術(shù)發(fā)展的瓶頸仍然是早期限制其發(fā)展的制造加工和應(yīng)用方面的問題。芯片與任何遠(yuǎn)程的東西交互存在一定問題，更不用說將具有全功能樣品前處理、檢測(cè)和微流控技術(shù)都集成在同一基質(zhì)中。由于微流控技術(shù)的微小通道及其所需部件，在設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的噴射問題，與大尺度的液相色譜相比，更加困難。上世紀(jì)80年代末至90年代末，尤其是在研究芯片襯底的材料科學(xué)和微通道的流體移動(dòng)技術(shù)得到發(fā)展后，微流控技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步。為適應(yīng)時(shí)代的需求，現(xiàn)今的研究集中在集成方面，特別是生物傳感器的研究，開發(fā)制造具有超強(qiáng)運(yùn)行能力的多功能芯片。 美國圣母大學(xué)(University of Notre Dame)的Hsueh-Chia Chang博士與微生物學(xué)家和免疫檢測(cè)專家合作研究，提高了微流控分析設(shè)備檢測(cè)細(xì)胞和生物分子的速度和靈敏性。同時(shí)，Chang對(duì)交流電動(dòng)電學(xué)進(jìn)行了改善，因?yàn)樗J(rèn)為交流電(AC)可作為選擇平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)流體通過用于醫(yī)學(xué)和研究的微流控分析儀。微流控分析儀最初的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是常規(guī)的直流電動(dòng)電學(xué)，但是使用時(shí)容易產(chǎn)生氣泡并引起物質(zhì)在電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的缺點(diǎn)限制了直流電的應(yīng)用，此外，為保證其對(duì)流量的精確控制，直流電極必須放置在儲(chǔ)液池中，不能直接連接在電路中。

三個(gè)因素美國Caliper Life Sciences公司Andrea Chow博士認(rèn)為，微流控技術(shù)的成功取決于聯(lián)合、技術(shù)和應(yīng)用，這三個(gè)因素是相關(guān)的。他說:"為形成聯(lián)合，我們嘗試了所有可能達(dá)到一定復(fù)雜性水平的應(yīng)用。從長遠(yuǎn)且嚴(yán)密的角度來對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),我們發(fā)現(xiàn)了很多無需經(jīng)過復(fù)雜的集成卻有較高使用價(jià)值的應(yīng)用，如機(jī)械閥和微電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)。"改進(jìn)的微流控技術(shù)，一般用于蛋白或基因電泳，常?？扇〈郾０纺z電泳。進(jìn)一步開發(fā)的芯片可用于酶和細(xì)胞的檢測(cè)，在開發(fā)新藥方面很有用。更進(jìn)一步的產(chǎn)品是可集成樣品前處理的基因鑒定，例如基于芯片的鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)(PCR)。由于具有高度重復(fù)和低消耗樣品或試劑的特性，這種自動(dòng)化和半自動(dòng)化的微流控芯片在早期的藥物研發(fā)中，得到了廣泛應(yīng)用。Caliper的商業(yè)模式是將芯片看作是與昂貴的電子學(xué)和光學(xué)儀器相連接的一個(gè)消費(fèi)品，目前，已被許多公司獨(dú)立的采用。每個(gè)芯片完成一天的實(shí)驗(yàn)運(yùn)作的成本費(fèi)用大概是5美元，而高通量的應(yīng)用成本是幾百到幾千美元，但預(yù)計(jì)可以重復(fù)循環(huán)使用幾百或幾千次，以一次分析包括時(shí)間和試劑的成本計(jì)算在內(nèi)，芯片的成本與一般實(shí)驗(yàn)室分析成本相當(dāng)。此外，特定設(shè)計(jì)芯片的批量生產(chǎn)也大大降低了其成本。Caliper的旗艦產(chǎn)品是LabChip 3000新藥研發(fā)系統(tǒng)，其微流體成分分析可以達(dá)到10萬個(gè)樣品，還有用于高通量基因和蛋白分析的LabChip 90 電泳系統(tǒng)。據(jù)Caliper宣稱，75 %的主要制藥和生物技術(shù)公司都在使用LabChip 3000系統(tǒng)。美國加州的安捷倫科技公司曾與Caliper科技公司簽署正式合作協(xié)議，該項(xiàng)合作于1998年開始，去年結(jié)束。安捷倫作為一個(gè)儀器生產(chǎn)商的實(shí)力，結(jié)合其在噴墨墨盒的經(jīng)驗(yàn)，在微流控技術(shù)尚未成熟時(shí)，就對(duì)微流體市場做出了獨(dú)特的預(yù)見，噴墨打印是目前為止微流控技術(shù)應(yīng)用最多的產(chǎn)品，每年的使用價(jià)值100億美元。安捷倫已有一些儀器使用趨向于具有更多可用性方面的經(jīng)驗(yàn)，并將這些經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到了微流體技術(shù)開發(fā)上。微流體和生物傳感器的項(xiàng)目經(jīng)理Kevin Killeen博士在接受采訪時(shí)說，安捷倫的目標(biāo)是為終端使用者解除負(fù)擔(dān)，"由適宜的儀器產(chǎn)品組裝成的系統(tǒng)可以讓非專業(yè)人士操縱專業(yè)設(shè)備"。微流體技術(shù)也需要適時(shí)表現(xiàn)出其自身的實(shí)用性和可靠性，例如，納米級(jí)電噴霧質(zhì)譜分析(nano-electrospray MS)不必考慮其頂端的閉合及邊帶的加寬，Killeen補(bǔ)充道:"對(duì)于生物學(xué)家來說，微流控技術(shù)的價(jià)值就在于此。" 安捷倫在微流控技術(shù)平臺(tái)上的三個(gè)主要產(chǎn)品是Agilent 2100 Bioanalyzer/5100 Automated Lab-on-a-Chip (已于2004年11月推出)和HPLC-Chip(已于2005年3月推出)。鑒定蛋白的HPLC-Chip集成了樣品富集和分離，同時(shí)還將設(shè)備裝置減少至LC/MS系統(tǒng)的一半。安捷倫的資料顯示，這些特征減少了泄漏和死體積，這種芯片在實(shí)驗(yàn)控制時(shí)采用了無線電頻率標(biāo)識(shí)技術(shù)。 推動(dòng)力目前，一直都未能解決的仍然是驅(qū)動(dòng)力問題，以及如何控制流體通過微毛細(xì)管。研究者認(rèn)為，從某種程度上來說，微致動(dòng)器(micro-actuators)可以為微流控技術(shù)提供動(dòng)力和調(diào)節(jié)，但是這一設(shè)想并沒有成功。Chia Chang博士認(rèn)為，現(xiàn)在還不可能實(shí)現(xiàn)利用微電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)作為微流體驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)?quot;還沒有設(shè)計(jì)出這樣的微電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)"。至少到目前為止，一直都在應(yīng)用非機(jī)械的流體驅(qū)動(dòng)設(shè)備。剛剛興起的技術(shù)有斯坦福大學(xué)Stephen Quake研究小組開發(fā)的微流體控制因素大規(guī)模地綜合應(yīng)用和瑞士Spinx Technologies開發(fā)的激光控制閥門。澳大利亞墨爾本蒙納士大學(xué)的研究者正在開發(fā)可在微通道內(nèi)吸取、混合和濃縮分析樣品的等離子體偏振方法。等離子體不接觸工作流體便可產(chǎn)生"推力"，具有維持流體穩(wěn)定流動(dòng)，對(duì)電解質(zhì)溶液不敏感也不受其污染的優(yōu)點(diǎn)。瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的David Juncker認(rèn)為，流體的驅(qū)動(dòng)沒有必要采用這類高新技術(shù)，利用簡單的毛細(xì)管效應(yīng)就可以驅(qū)動(dòng)流體通過微通道。Juncker博士說,以毛細(xì)管作用力驅(qū)動(dòng)流體具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì):自包含、可升級(jí)、沒有死體積、可預(yù)先設(shè)計(jì)、易更換溶液?？蓱?yīng)用的范圍包括開發(fā)藥物的免疫檢測(cè)和定點(diǎn)照護(hù)診斷檢測(cè)。最近，Juncker博士及其同事已經(jīng)開發(fā)出可以梯度檢測(cè)大分子蛋白和檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞的微流控探測(cè)器，Juncker說"這種探測(cè)器結(jié)合了掃描和微流控技術(shù)，定義了一類新的實(shí)驗(yàn)空間", 同時(shí)他還設(shè)想將這種探測(cè)器應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)和新藥開發(fā)上。另外一個(gè)與微流控技術(shù)相關(guān)卻一直未能克服的障礙，是"設(shè)備尺寸縮小而存在的效益遞減臨界點(diǎn)問題"系統(tǒng)縮小到微米甚至納米級(jí)的尺度范圍，與之結(jié)合的設(shè)備成為一個(gè)主要問題。對(duì)于微流控芯片，必須將材料從微通道中放入和取出，還要從納升級(jí)流量的流體中獲得可靠信號(hào)。一些研究者建議將微流控技術(shù)與"中等流體"結(jié)合，--以小型化的方式附加到中等尺寸的設(shè)備中，可以濃縮樣品，易于檢測(cè)。生物學(xué)家還受他們所使用微孔板的幾何限制。Caliper和其他的一些公司正在開發(fā)可以將樣品直接從微孔板裝載至芯片的系統(tǒng)，但這種操作很具挑戰(zhàn)性。美國Corning公司Po Ki Yuen博士認(rèn)為，要說服生產(chǎn)商將生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)移到一個(gè)還未證明可以縮減成本的完全不同的平臺(tái)，是極其困難的。Yuen博士所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的研究領(lǐng)域包括微電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)和微流體學(xué)，目前致力于研發(fā)新藥的非標(biāo)定檢測(cè)系統(tǒng)方面的研究。

與芯片之間的比較美國Cascade Microtech公司的Cali Sartor認(rèn)為，當(dāng)今生命科學(xué)領(lǐng)域的微流體與20年前工業(yè)領(lǐng)域的半導(dǎo)體具有相似之處。計(jì)算機(jī)芯片的開發(fā)者最終解決了集成、設(shè)計(jì)和增加復(fù)雜性等問題，而微流體技術(shù)的開發(fā)者也正在從各方面克服微流控技術(shù)所遇到的此類問題。Cascade的市場在于開發(fā)半導(dǎo)體制造業(yè)的最初檢驗(yàn)和分析系統(tǒng)，現(xiàn)在希望通過具微流控特征和建模平臺(tái)的L-Series實(shí)現(xiàn)市場轉(zhuǎn)型。L-Series包括嚴(yán)格的機(jī)械平臺(tái)，集成了顯微鏡技術(shù)、微定位和計(jì)量學(xué)等方法?？蓱?yīng)用于芯片電場的微型電位計(jì)(Microport)也作為其開發(fā)的副產(chǎn)品。L-Series致力于真正的解決微流控設(shè)備開發(fā)者所遇到的難題:必須獨(dú)立構(gòu)造芯片系統(tǒng)和提供實(shí)用程序，Sartor說:"若是將襯質(zhì)和芯片粘合在一起，需要經(jīng)過長期的多次測(cè)試，"設(shè)計(jì)者若想改變流體通道，必須從頭開始。L-Series檢測(cè)組使內(nèi)聯(lián)測(cè)試和假設(shè)分析實(shí)驗(yàn)變得更簡單，測(cè)試一個(gè)新設(shè)計(jì)只要交換芯片即可。當(dāng)前，L-Series設(shè)備只能在手動(dòng)模式下運(yùn)行，一次一個(gè)芯片，但是Cascade 正在考慮開發(fā)可平行操作多個(gè)芯片的設(shè)備。Cascade 有兩個(gè)測(cè)試用戶:馬里蘭大學(xué)Don DeVoe教授的微流體實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)Carl Meinhart教授的微流體實(shí)驗(yàn)室。德國thinXXS公司開發(fā)了另一套微流控分析設(shè)備(圖4)。該設(shè)備提供了一個(gè)由微反應(yīng)板裝配平臺(tái)、模塊載片以及連接器和管道所組成的結(jié)構(gòu)工具包。可單獨(dú)購買模塊載片。 ThinXXS還制造專用芯片，生產(chǎn)微流體和微光學(xué)設(shè)備和部件并提供相應(yīng)的服務(wù)。將微流控技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)檢測(cè)已經(jīng)計(jì)劃很多年了，thinXXS一直都在進(jìn)行這方面的綜合研究，但未提供詳細(xì)資料。ThinXXS公司Thomas Stange博士認(rèn)為，雖然原型設(shè)計(jì)價(jià)格高且有風(fēng)險(xiǎn)，微制造技術(shù)已不再是微流控產(chǎn)品商業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙。對(duì)于他們公司所操縱的高價(jià)藥品測(cè)試和診斷市場，校準(zhǔn)和工藝慣性才是最主要的障礙。ThinXXS于6月推出了一款新的微芯片產(chǎn)品QPlate，同時(shí)宣稱該產(chǎn)品首次結(jié)合了硅微處理、微鑄技術(shù)以及印制電路板技術(shù)。QPlate是與丹麥Sophion Bioscience公司合作開發(fā)的，是QPatch-16 system的組成部分，QPatch-16 system可平行的測(cè)量16個(gè)細(xì)胞離子通道。

包括:白金電阻芯片, 壓力傳感芯片, 電化學(xué)傳感芯片, 微/納米反應(yīng)器芯片, 微流體燃料電池芯片, 微/納米流體過濾芯片等。

①微流控芯片(microfluidic chip)是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total Analysis Systems)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。微流控芯片分析以芯片為操作平臺(tái), 同時(shí)以分析化學(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,以生命科學(xué)為目前主要應(yīng)用對(duì)象，是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。它的目標(biāo)是把整個(gè)化驗(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,且可以多次使用。

②微流控芯片是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)。其裝置特征主要是其容納流體的有效結(jié)構(gòu)(通道、反應(yīng)室和其它某些功能部件)至少在一個(gè)緯度上為微米級(jí)尺度。由于微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能。因此發(fā)展出獨(dú)特的分析產(chǎn)生的性能。

③微流控芯片的特點(diǎn)及發(fā)展優(yōu)勢(shì):微流控芯片具有液體流動(dòng)可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十倍上百倍地提高等特點(diǎn),它可以在幾分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的同時(shí)分析,并且可以在線實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程。

④其產(chǎn)生的應(yīng)用目的是實(shí)現(xiàn)微全分析系統(tǒng)的終極目標(biāo)-芯片實(shí)驗(yàn)室

⑤目前工作發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域是生命科學(xué)領(lǐng)域

⑥當(dāng)前(2006)國際研究現(xiàn)狀:創(chuàng)新多集中于分離、檢測(cè)體系方面;對(duì)芯片上如何引入實(shí)際樣品分析的諸多問題，如樣品引入、換樣、前處理等有關(guān)研究還十分薄弱。它的發(fā)展依賴于多學(xué)科交叉的發(fā)展。

目前媒體普遍認(rèn)為的生物芯片(micro-arrays)，如，基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等只是微流量為零的點(diǎn)陣列型雜交芯片，功能非常有限，屬于微流控芯片(micro-chip)的特殊類型，微流控芯片具有更廣泛的類型、功能與用途，可以開發(fā)出生物計(jì)算機(jī)、基因與蛋白質(zhì)測(cè)序、質(zhì)譜和色譜等分析系統(tǒng)，成為系統(tǒng)生物學(xué)尤其系統(tǒng)遺傳學(xué)的極為重要的技術(shù)基礎(chǔ)。