*第二十一章

微流控分析芯片21.1.1

定義與發(fā)展過程21.1.2特點(diǎn)與前景第一節(jié)概述MicrofluidicanalysischipsGeneralization21.1.1概述目標(biāo):分析儀器及系統(tǒng)微型化、集成化、自動(dòng)化、便攜化微流控分析芯片則是實(shí)現(xiàn)這一整體目標(biāo)的成功嘗試。分析化學(xué)學(xué)科最活躍的領(lǐng)域和發(fā)展前沿?！靶酒瑢?shí)驗(yàn)室”“個(gè)人化”、“家用化”流動(dòng)注射分析:煩瑣的、手工操作的化學(xué)分析過程自動(dòng)化的成功實(shí)現(xiàn).微流控分析芯片:

以微通道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，以微流體的操縱和控制為核心，

并將整個(gè)分析化驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的功能：采樣、稀釋、加試劑、混合、反應(yīng)、分離及檢測(cè)等集成在方寸大小的微芯片上，以完成某一分析測(cè)試任務(wù)，實(shí)現(xiàn)分析全過程的微型化、集成化、自動(dòng)化、便攜化的一種分析技術(shù)。發(fā)展過程：1990年，Manz和Widmer：提出μTAS)。

1992年，Manz與Harrison：展示巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1994年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作，引起了更廣泛的關(guān)注。首屆μTAS會(huì)議在荷蘭舉行，推廣作用。

1995年之后，美國(guó)大學(xué)一系列研究：發(fā)展。2001年在美國(guó)：第五屆μTAS會(huì)議。英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)主編：“Lab-on-a-chip”

期刊，“芯片實(shí)驗(yàn)室”(Lab-on-a-chip，LOC)被廣泛接受。爭(zhēng)論與發(fā)展：1990年，瑞士Ciba-Geigy公司

Manz和Widmer：提出了“微型全分析系統(tǒng)”

（micrototalanalysissystems，μTAS)?！傲鲃?dòng)注射光度測(cè)定分析系統(tǒng)”多層單晶芯片結(jié)構(gòu)的μTAS裝置。開創(chuàng)了微流控分析芯片研究的先河。

新技術(shù)的爭(zhēng)論！論文：

“用單晶硅與玻璃微加工的化學(xué)分析系統(tǒng)——通向下世紀(jì)的技術(shù)，還是僅僅一時(shí)的狂熱？”

爭(zhēng)論與發(fā)展：1992年，Manz與Harrison：微加工芯片上完成毛細(xì)管電泳分離的論文，展示了μTAS的巨大發(fā)展?jié)摿Α?994年始，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以Ramsey：發(fā)表了一系列研究論文，改進(jìn)了芯片毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣方法，提高了其性能和實(shí)用性，引起了更廣泛的關(guān)注。

同年，首屆μTAS會(huì)議在荷蘭恩舍得（Enchede）舉行，起到了推廣μTAS的作用。

爭(zhēng)論與發(fā)展：

1995年，美國(guó)哈佛大學(xué)的whitesides報(bào)道了一系列與微流控芯片加工有關(guān)的新技術(shù)；1996年，美國(guó)加州大學(xué)的Mathies，微流控芯片多通道毛細(xì)管電泳DNA測(cè)序，為基因分析中的實(shí)際應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。1999年出現(xiàn)了首個(gè)商品化的微流控芯片，目前已有十多種商品化微流控芯片。2001年美國(guó)第五屆μTAS會(huì)議。英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)主編：“Lab-on-a-chip”

期刊，“芯片實(shí)驗(yàn)室”（Lab-on-a-chip，LOC）。廣泛接受。

21.1.2微流控分析芯片的特點(diǎn)與前景

微流控分析芯片：不僅僅是帶來設(shè)備尺寸上的變化，也預(yù)示著新的理論和技術(shù)的革新。優(yōu)點(diǎn)：（1）具有極高的效率；（2）試樣與試劑消耗已降低到數(shù)微升水平；（3）容易制成功能齊全的便攜式儀器，用于各類現(xiàn)場(chǎng)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。影響分析性能的主要因素與效應(yīng)：

①層流效應(yīng)；②表面張力及毛細(xì)效應(yīng)；③快速熱傳導(dǎo)效應(yīng)；④擴(kuò)散效應(yīng)。這些效應(yīng)大多數(shù)使微流控分析芯片的分析性能顯著超過宏觀條件下的分析體系。分類：

μTAS：芯片式和非芯片式，依托于MEMS技術(shù)微流控（分析）芯片：微通道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，分析化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展起來的，其目標(biāo)是將整個(gè)分析系統(tǒng)微型化。微陣列（生物）芯片：微探針陣列為結(jié)構(gòu)特征，在生物遺傳學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的，主要是以DNA分析為應(yīng)用對(duì)象。表21-1微流控(分析)芯片與微陣列(生物)芯片的對(duì)比發(fā)展的初期階段，都存在問題。

協(xié)調(diào)發(fā)展。存在的問題：

整體仍處于初期階段，總體上既不夠“微”，分析功能也遠(yuǎn)達(dá)不到“全”；集成度不夠高；多數(shù)檢測(cè)器的體積過大；制作成本高限制其推廣應(yīng)用。處于更深入開展基礎(chǔ)研究、廣泛擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵時(shí)期。前景明朗，目標(biāo)明確，在不遠(yuǎn)的將來會(huì)出現(xiàn)更大的突破。

微流控芯片研究：

微流控芯片應(yīng)用研究：

內(nèi)容選擇：結(jié)束21.1概述

21.2基本方法與技術(shù)

21.3應(yīng)用

21.4

生物芯片*第二十一章

微流控分析芯片21.2.1

芯片材料與設(shè)計(jì)加工21.2.2微器件與微流體的驅(qū)動(dòng)和控制21.2.3.微流控芯片中的各種效應(yīng)21.2.4.微流控分析芯片中的進(jìn)樣技術(shù)

21.2.5.微流控分析芯片檢測(cè)器

第二節(jié)基本方法與技術(shù)MicrofluidicanalysischipsBasemethodsandtechnology21.2.1芯片材料與設(shè)計(jì)加工一、材質(zhì)無機(jī)材質(zhì)和有機(jī)材質(zhì)兩大類。

無機(jī)材質(zhì)：硅片，玻璃、石英等。

硅材料加工微泵、微閥及控制元器件等。玻璃和石英：使用最多的材料，其優(yōu)點(diǎn)是透光性好，機(jī)械強(qiáng)度高，微加工工藝成熟。

有機(jī)材質(zhì)：聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯及氟塑料等。種類多、成本低、適合大批量生產(chǎn)等。

二、膜制備技術(shù)

基片上沉積各種材料的薄膜

，重要方法有氧化、化學(xué)氣相沉積、蒸發(fā)、濺射等。1.氧化：將硅片在氧化環(huán)境中加熱到900℃～1100℃的高溫，可以在硅的表面上生長(zhǎng)出一層二氧化硅。2.化學(xué)氣相沉積：制備多晶硅、二氧化硅和氮化硅膜。用硅烷(SiH4)作原料氣，在低壓反應(yīng)器中熱解生成硅和氫氣，沉積溫度550℃～700℃。溫度低于600℃時(shí)得到的是無定形硅的薄膜。溫度在630℃以上時(shí)生成多晶硅薄膜。３.蒸發(fā)真空加熱（金、硅等或三氧化二鋁、二氧化硅等）→氣化（原子或分子）→沉積（基片表面成膜）

４.濺射

：多晶硅、二氧化硅和氮化硅膜。

真空電離（氬、氦）→轟擊（電場(chǎng)作用離子轟擊陰極靶）→濺射（靶原子、分子）→薄膜（陽極基片）?；铣练e鋁、鈦、鉻、鉑、鈀等金屬薄膜和無定形硅、玻璃、壓電陶瓷等非金屬薄膜。已逐漸取代了蒸發(fā)鍍膜。

三、微通道及微器件的加工技術(shù)

三種技術(shù)：光刻和蝕刻法、模塑法及熱壓法。

１.光刻和蝕刻技術(shù)2.模塑法

制作出通道部分凸起的陽模，然后在陽模上澆注液態(tài)的高分子材料，固化后取下獲得具有微通道的基片。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微加工技術(shù)又稱為“軟刻蝕”（softlithography）技術(shù)。

4.熱壓法

使用具有一定機(jī)械強(qiáng)度的陽模，在聚合物基片上壓制出凹凸互補(bǔ)的微通道的技術(shù)。該法適合于批量生產(chǎn)。四、多層基片封合技術(shù)

多層基片封合構(gòu)成微通道網(wǎng)絡(luò)。1.熱鍵合（fusionbonding）方法

硅片與硅片之間的封合。玻璃芯片：加熱到溫度550~650℃。石英芯片：加熱到溫度1000℃以上。高分子聚合物芯片：溫度通常在120~180℃之間。2.陽極鍵合(anodicbonding)法基片和蓋片間施加高電壓，靜電引力使芯片間化學(xué)鍵合。多用于玻璃-硅片及玻璃-玻璃間的鍵合。21.2.2微器件與微流體的驅(qū)動(dòng)和控制微泵、微閥、微貯液器、微電極、微檢測(cè)器

1.微致動(dòng)器與微流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)

微致動(dòng)器：產(chǎn)生機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)，提供動(dòng)力。

微致動(dòng)器與微閥一起組成微泵：流體驅(qū)動(dòng)與控制。

微流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類

低流量：nL/min~μL/min如何構(gòu)造：微泵、微閥、微貯液器、微電極、微檢測(cè)器？

微致動(dòng)器（1）壓電微泵

多層結(jié)構(gòu)，陽極鍵合。致動(dòng)器：壓電圓盤。單向閥：懸臂梁型被動(dòng)閥。

改變振動(dòng)頻率可改變液流的流速和脈動(dòng)特性。將兩個(gè)微泵并聯(lián)反相工作有利于降低液流的脈動(dòng)。

（2）熱氣動(dòng)微泵

微致動(dòng)器：空氣室（有彈性單晶硅隔膜）、薄膜加熱電阻。典型氣室內(nèi)徑為8mm，高為400μm。

加熱電壓比壓電致動(dòng)低得多。結(jié)構(gòu)緊湊、易微型化。

流量在10~100mL/min，最大泵壓可達(dá)10kPa。

（3）靜電微泵

四層結(jié)構(gòu)。電極間一絕緣層。

原理：電極泵膜與固定的電極間的靜電作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。施加電壓時(shí)，兩電極間距變短，產(chǎn)生吸液動(dòng)作，反之產(chǎn)生排液動(dòng)作。

特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于熱氣動(dòng)微泵，脈動(dòng)較小，流動(dòng)平穩(wěn)。

需要施加很高的電壓，泵壓較低。靜電微泵

2.微閥的原理與加工技術(shù)功能：?jiǎn)蜗蜷y和切換閥；有無致動(dòng)器：主動(dòng)閥和被動(dòng)閥。

（1）主動(dòng)閥

原理：依靠致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)閥的開閉或切換操作。

特點(diǎn)：動(dòng)作可靠、閥密封性好；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附加體積大，加工和集成化難度大等不足。熱氣動(dòng)致動(dòng)單向閥（2）被動(dòng)閥

特點(diǎn)：無需外動(dòng)力，僅利用流體本身參數(shù)的變化（流動(dòng)方向、流體壓力）即可實(shí)現(xiàn)閥的狀態(tài)改變。

優(yōu)點(diǎn)：具有易加工，集成度高。典型被動(dòng)微閥結(jié)構(gòu)：

21.2.3微流控芯片中的各種特殊效應(yīng)微通道的構(gòu)型、表面性質(zhì)無論是對(duì)流體控制還是對(duì)分析效果都產(chǎn)生重要影響。1.微通道構(gòu)型與彎道效應(yīng)

彎道效應(yīng)：試樣帶在經(jīng)過微通道的轉(zhuǎn)向區(qū)域時(shí)所產(chǎn)生的試樣帶附加（與直線通道相比）變寬的現(xiàn)象。

產(chǎn)生原因：轉(zhuǎn)向區(qū)域內(nèi)流體的流動(dòng)距離和電場(chǎng)強(qiáng)度因曲率半徑的不同而存在著徑向差異。

降低方法：改變通道構(gòu)型來實(shí)現(xiàn)。

降低彎道效應(yīng)的主要方法：改變通道構(gòu)型（a）采用成對(duì)轉(zhuǎn)向通道兩轉(zhuǎn)向區(qū)的彎道效應(yīng)作用相反，可在一定程度上的相互補(bǔ)償，但并不能完全消除。（b）縮小轉(zhuǎn)向通道寬度，降低試樣帶變寬現(xiàn)象。（c）數(shù)學(xué)優(yōu)化獲得的構(gòu)型。模擬計(jì)算結(jié)果表明彎道效應(yīng)比傳統(tǒng)構(gòu)型小2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。

數(shù)學(xué)優(yōu)化獲得的構(gòu)型效果對(duì)比2.微通道表面改性與多相層流實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微流控操作：通過控制微通道表面性質(zhì)。

改性方法：涂覆改性；脈沖UV準(zhǔn)分子激光器（KrF，248nm）照射，改變微通道內(nèi)壁的表面電荷。

多相層流控制：在一個(gè)通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)流向相反的流體同時(shí)流動(dòng)的操作。電滲流的方向由通道壁上的電荷極性控制。實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)通道內(nèi)，在同一外加電壓下，兩個(gè)流向相反的液流同時(shí)流動(dòng)的情況，也即多相層流。3.層流效應(yīng)與分子擴(kuò)散效應(yīng)

微通道：流體易形成層流狀態(tài)，微流控系統(tǒng)的重要特性。流體中的慣性效應(yīng)可以忽略，不產(chǎn)生流體內(nèi)的對(duì)流作用（混合）。

應(yīng)用：試樣前處理、無膜過濾、滲析、萃取、相間反應(yīng)及液流切換等操作。

問題：微尺度下如何實(shí)現(xiàn)流體的快速混合?在這種情況下，分子擴(kuò)散成為粒子跨越流體界面的唯一方式。目前，微尺度下如何實(shí)現(xiàn)流體的快速混合的問題是一個(gè)重要的研究方向。

層流效應(yīng)的應(yīng)用：無膜過濾與過濾例：血液預(yù)分離的多相層流系統(tǒng)以血液試樣為一相流體，以水溶液為另一相流體（接受液）。

此技術(shù)亦可進(jìn)行較大離子（細(xì)胞或固體顆粒）與可溶性組分的分離，實(shí)現(xiàn)無膜過濾功能。

血液中的小分子物質(zhì)因擴(kuò)散速度快于大分子物質(zhì)，首先依靠擴(kuò)散穿過兩相界面進(jìn)入接受液中，實(shí)現(xiàn)小分子與大分子的分離，實(shí)現(xiàn)無膜滲析的功能。層流效應(yīng)的應(yīng)用：微流體開關(guān)

三相層流并行流動(dòng)的狀態(tài)。接觸面很小，時(shí)間很短（小于秒級(jí)）時(shí)，可忽略混合效應(yīng)。通過改變兩載流的流速大小和相互比例，可控制試樣流的寬度及其在通道中的位置。

21.2.4微流控芯片中的進(jìn)樣技術(shù)

電動(dòng)進(jìn)樣：基于體積和時(shí)間兩種1，2處懸?。〝嚅_）問題：充樣時(shí)，

十字通道處擴(kuò)散，降效;取樣時(shí)，泄漏，干擾。無歧視現(xiàn)象。電動(dòng)簡(jiǎn)單進(jìn)樣（十字進(jìn)樣方式）

基于體積進(jìn)樣方式。進(jìn)樣技術(shù)1，2由懸浮改為接地；問題：充樣時(shí)，

十字通道處仍有擴(kuò)散，降效;取樣時(shí)，泄漏消除。2.“T”形通道進(jìn)樣基于時(shí)間進(jìn)樣方式試樣體積：充樣電壓和時(shí)間決定。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，充樣體積可調(diào)。缺點(diǎn)：有歧視現(xiàn)象；無廢液通道，換樣不便。

3.門式進(jìn)樣“十”字交叉區(qū)，兩液流互不干擾。

進(jìn)樣量：控制充樣電壓和時(shí)間。優(yōu)點(diǎn)：同時(shí)保持連續(xù)流動(dòng)，分析同時(shí)快速換樣。

缺點(diǎn)：有歧視現(xiàn)象。

基于時(shí)間進(jìn)樣方式4.雙“T”形通道進(jìn)樣（基于體積進(jìn)樣）

有更大的進(jìn)樣體積（調(diào)節(jié)雙“T”通道間的距離），可改變進(jìn)樣量。體積進(jìn)樣的優(yōu)點(diǎn)是消除了歧視現(xiàn)象且進(jìn)樣量固定。5.芯片進(jìn)樣過程中存在的問題

泄漏效應(yīng)：交