微流控芯片之一
微流控芯片中的液滴操控研究
微流控芯片中的液滴操控研究引言微流控芯片作为一种新兴的技术，具有在微尺度上操控液滴的能力，已经被广泛应用于生物医学、化学分析、药物筛选等领域。
液滴操控是微流控芯片的核心技术之一，对于实现高效、精确、可控的液滴操控具有重要意义。
本文将介绍微流控芯片中液滴操控的研究进展，并深入讨论液滴操控的关键技术和挑战。
微流控芯片中的液滴操控技术液滴生成液滴生成是液滴操控的起始步骤，常用的方法包括流体分离与闪烁方法、电场诱导法、热致驱动法等。
其中，流体分离与闪烁方法是一种简单易行的液滴生成方法。
通过微通道中的流体分离结构，将液体分割成小滴，再通过闪烁方法实现液滴的离散化。
电场诱导法利用电荷间的静电作用力来实现液滴的生成和操控，具有快速、高效、可控的优点。
热致驱动法通过加热微流道上下层的液体来实现液滴的生成和操控。
液滴操控液滴操控是微流控芯片中最核心的技术之一，主要包括两个方面：液滴合并和液滴分离。
液滴合并是指将两个或多个液滴合并成一个更大的液滴。
液滴分离是指将一个大液滴分离成两个或多个小液滴。
液滴合并液滴合并的方法有很多，常用的方法包括两个液滴相互接触并在界面处形成液体连通的方法、微流道中引入分布器等。
两个液滴相互接触的方法通常需要控制液滴的大小、位置和速度以保证液滴的合并效果。
微流道中引入分布器的方法通过引入分布器结构，使得两个液滴在分布器中相互接触并合并。
液滴分离液滴分离的方法也有多种，常用的方法包括液滴剪切和液滴挤压等。
液滴剪切是指通过施加外力，使大液滴中的一部分液体向外移动，从而实现分离的效果。
液滴挤压是指通过微通道中特殊设计的结构，使大液滴在流动过程中被挤压而分离成小液滴。
液滴操控的挑战与解决方案液滴操控在实际应用中还存在一些挑战，如液滴的精确定位、液滴的速度控制、液滴的稳定性等。
针对这些挑战，研究者们提出了多种解决方案。
液滴的精确定位液滴的精确定位是实现精确液滴操控的基础。
传统的定位方法主要是依靠外部观察和手动调整，这种方法不仅效率低，而且容易出现误差。
微流控技术-微流控芯片-精
MEMS与微流控
➢ MEMES：Microelectromechanical System
➢ 由Pfeynman教授发明，1965年诺贝尔物理奖 ➢ 微流控技术被Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一 ➢ 半导体技术应用在各领域
MEMES与Microfluidic Chip
Nano-Dot 3D立体抗体 捕获技术
Nano-Dot 3D立体抗体捕获技术
全新的抗体捕获技术
• 基于MEMS的3D立体捕获矩阵 立体的微型免疫反应器。
Nano-Dot 3D立体抗体捕获技术
全新的抗体捕获技术
• Nano-Dot覆盖 增加捕获区单位基体的容量。
• 增加捕获容量，提高捕获效率 mLabs®检测的动态范围可以跨越9个数量级。
反应速度由膜孔径决定， 无法控制流速
蛋白与膜的结合原理， 主要靠假说来支撑，非 常依赖实践经验
材料脆弱，出现“鬼线”
重复性不好 CV<20%
材料稳定
膜易老化
微点生物微流控生物芯片
加样窗 流体调节器 检测区
废液仓
S-channel微流控技术
微流控
• 微流控（Microfluidic）技术主要是研究一些中介
流体(即生物组织中处于溶液中的细胞、蛋白质、染色体 等)以模式芯片为平台,在电压、热能以及蠕动压差的趋动 下在微通道中的流动性能。
微点生物主动式微流控
• S-channel微流控微型反 应器技术
• 精确控制反应时间--快速 • 提高检测精度--灵敏 • 减少病人样本影响--准确
纳米荧光探针标记技术
原来，在这种水母的体内有一种叫水母素的物质，在与钙离子结 合时会发出蓝光，而这道蓝光未经人所见就已被一种蛋白质吸收， 改发绿色的荧光。这种捕获蓝光并发出绿光的蛋白质，就是绿色 荧光蛋白。
微流控芯片技术的发展与应用
微流控芯片技术的发展与应用随着微型技术的快速发展，微流控芯片技术也成为了生命科学和医学诊断的重要工具之一。
微流控芯片技术利用微型反应器及微型通道，实现自动控制反应条件与样品循环，在微米尺度范围内进行各种生物分析和检测，从而实现了高通量、快速、精准的生物分析。
本文将对微流控芯片技术的发展与应用进行分析。
一、微流控芯片技术的发展历程20世纪上半叶，生化分析主要是在试管中进行，检测手段和方法都比较简单。
到了20世纪60年代，随着电子技术的发展和微处理器的诞生，微流控芯片技术开始起步。
1980年代初期，美国加州大学圣塔芭芭拉分校的Manne S.丹尼尔斯和Walter Schottky 先后提出了微通道芯片的想法。
1985年，美国国家标准局(NIST)的George Segar和David Ross成功地采用光刻技术制作了一个环形的微小流通通道。
此后随着MEMS技术的快速发展，微流控芯片技术不断得到完善。
二、微流控芯片技术的原理微流控芯片技术基本上就是把传统实验中的微型反应器和微信道集成到一块芯片上。
该技术通过微米尺度的反应器和信道，将不同形态、性质、浓度、电荷、质量的生物特异性分子进行分离、检测、识别和定量测定。
由此可实现常规实验所需耗费大量时间、试剂、仪器的方法的高度自动化和微型化，避免了手工操作对反应的误差，大大提高了实验分析的效率和可靠性。
三、微流控芯片技术的应用1. 生物学和医学领域微流控芯片技术在生物学和医学领域的应用最为广泛。
例如，可实现DNA 和 RNA 提取、基因片段扩增、基因分型、细胞培养和检测、蛋白质表征和检测、蛋白酶酶解等。
此外，微流控芯片技术也可应用于药物筛选、体液分析和药物代谢组学等方面。
2. 环境监测微流控芯片技术可以实现水、空气和土壤等环境样品分析。
例如，可检测环境中的微生物、重金属、有机物、水源污染物等。
3. 食品安全微流控芯片技术可以快速有效地检测食品中的不良成分，如农药残留、毒素、微生物等。
微流控芯片特点
微流控芯片特点微流控芯片是一种集成了微流控技术的微型芯片，它具有一系列特点，可以用来进行精确的流体控制和操作。
本文将从多个方面对微流控芯片的特点进行详细解释，并在标题中心扩展下进行描述。
1. 高度集成化：微流控芯片是将流体控制所需的各种功能集成到一个微型芯片中，因此具有高度集成化的特点。
它可以实现多种功能，如样品分离、混合、反应等，大大简化了实验操作流程，提高了实验效率。
2. 小尺寸：微流控芯片通常具有微米级别的尺寸，其通道宽度和深度可以控制在几十微米到几百微米范围内。
由于其小尺寸的特点，可以减少试剂和样品的消耗，同时也可以降低实验的成本。
3. 高灵敏度：微流控芯片具有高灵敏度的特点，可以实现对微量样品的精确控制和检测。
微流控芯片中的微通道和微阀门可以对流体进行精确的操控，实现微流动的操作。
同时，微流控芯片还可以与光学、电化学等传感器结合，实现对样品的高灵敏度检测。
4. 快速响应：微流控芯片具有快速响应的特点，可以在短时间内完成样品的分离、混合、反应等操作。
由于微流控芯片具有小尺寸和高灵敏度的特点，可以实现快速的流动和混合，大大缩短了实验的时间。
5. 低成本：由于微流控芯片的小尺寸和高度集成化的特点，可以减少实验所需的试剂和样品的消耗，从而降低实验的成本。
另外，微流控芯片的制造工艺也在不断改进，使其成本进一步降低，逐渐实现商业化的应用。
6. 可重复使用：微流控芯片通常采用高质量的材料制造，具有良好的耐用性和稳定性，可以多次使用。
在实验操作中，只需更换样品和试剂，而不需要更换芯片，节省了时间和成本。
7. 高精度：微流控芯片具有高精度的特点，可以实现对样品的精确控制和检测。
微流控芯片中的微通道和微阀门可以精确控制流体的流速和流量，实现对样品的精确分离、混合和反应。
8. 多功能性：微流控芯片具有多功能的特点，可以实现多种样品的处理和操作。
微流控芯片可以用于生物分析、药物筛选、环境监测等领域，广泛应用于生物学、化学、医学等科学研究和实验室应用中。
pdms微流控芯片使用说明_概述说明以及解释
pdms微流控芯片使用说明概述说明以及解释1. 引言1.1 概述本文旨在介绍和解释PDMS微流控芯片的使用说明。
微流控技术作为一种新兴的实验工具，在科学研究和生物医学领域中得到了广泛的应用。
PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料由于其柔软、透明、生物相容性等特点，成为制备微流控芯片的常用材料之一。
通过对PDMS微流控芯片的简介、使用注意事项以及实验操作步骤进行详细阐述，旨在帮助读者更好地理解和应用该技术。
1.2 背景介绍随着实验方法的不断发展，科学家们对于微尺度下流体的操控需求越来越高。
传统的实验方法面临着许多限制，而微流控技术则能够有效地解决这些问题。
微流控芯片是一种将小液滴或者小管道中极小体积液体进行精确操作和操纵的设备。
它主要依靠通道设计和表面改性等手段来调节液体在芯片内部的运动，并实现对流速、混合效果以及反应的监测和控制。
1.3 研究目的本文的研究目的主要有三个方面：首先，通过对PDMS微流控芯片原理概述、制备方法以及应用领域等进行介绍，使读者能够全面了解该技术；其次，提供PDMS微流控芯片使用注意事项，包括设计与制备、操作使用以及存储保养方面的注意事项，旨在帮助读者在实际操作中避免常见错误；最后，给出PDMS 微流控芯片实验操作步骤，使读者能够清晰地掌握实验过程并顺利完成相关实验。
通过以上准备工作，本文将详细介绍PDMS微流控芯片的特点、制备方法以及应用领域，并进一步阐述使用该技术时需要注意的事项和具体操作步骤。
最后，我们将总结结论并展望未来研究方向和意义。
通过本文的分享和解释，我们期望能够为科研人员提供一份全面而详尽的参考资料，以推动该领域更深入地发展。
2. PDMS微流控芯片简介2.1 原理概述PDMS（聚二甲基硅氧烷）微流控芯片是一种常用于微流体实验的材料，具有优异的柔韧性和透明度。
该芯片由PDMS材料制成，通过精确加工形成复杂的通道结构，用于控制微尺度液滴或流体在芯片内部的运动和混合。
微流控芯片技术的原理及其应用
微流控芯片技术的原理及其应用随着生物医学技术的逐步发展，微流控芯片技术逐渐成为研究生物科学领域的重要工具。
微流控芯片技术是一种将液体微小化的技术，通过微通道和微结构控制液体的流动，从而实现对微小的流体样本的操控和分析。
本文将详细介绍微流控芯片技术的原理和应用。
一、微流控芯片技术的原理微流控芯片技术是一种基于微纳米尺度结构和微通道的流体控制技术。
它通过制造微通道和微结构，将液体分割成非常微小的体积，从而控制和操作微小的流体体系。
微流控芯片可以分为两个部分：微通道和微结构。
微通道是用于控制微小液滴和海绵多孔的通道系统。
海绵多孔是指微通道中的特殊结构，可以用来创建离散液滴或分隔通道。
微流控芯片通过这些微通道和微结构来控制微小液滴或微小的液体分散体系。
对于微流控芯片来说，微小液滴是非常重要的元素。
微小液滴是由小于100微米的液体球体组成的。
由于它们是液体，所以微小液滴之间可以互相合并，而且通过电极可以控制液滴的聚合和分离状态。
在微流控芯片中，微小液滴通常是由吸头和压力控制系统产生的。
微流控芯片技术的原理一般分为三个步骤：样品输入、反应和检测。
首先，将样品输入到微流控芯片上。
其次，样品会经过一系列的反应过程，例如混合、稀释、分隔等等。
最后，对反应后的产物进行检测。
二、微流控芯片技术的应用微流控芯片技术在生物医学领域中有着广泛的应用。
它能够用于细胞分数、免疫分析、基因测序等方面的研究。
下面将具体介绍微流控芯片技术的应用。
1、细胞分数微流控芯片技术可以用于隔离细胞并分析细胞中的生物大分子。
这种技术通过一个海绵多孔来将细胞定位在特定位置，并将细胞从其他细胞中隔离出来。
这种技术对于医学研究很有价值，可以用来研究细胞的分子成分和机制，在探索生物性能和疾病诊断方面具有广阔的应用前景。
2、免疫分析免疫分析是一种常用的免疫学方法。
在传统的免疫分析中，技术人员需要进行样本的制备和处理，这个过程常常需要耗费大量的样品和试剂。
微流控芯片
试剂盒
试剂灌装在一次性试剂盒中，整盒使用，无需手动拆分，方便快捷、 杜绝污染。
系统三大特点
全自动
全封闭
质控完善
完善的质控体系
用SP点控制显色反应 用球蛋白显色点控制核酸提取和PCR扩增过程 用多个球蛋白探针来估算样本细胞含量
结果的判读
DNA芯片与微流体芯片产品的一体化
博晖HPV微流控芯片检测产品将传统的DNA矩阵整合到微流控 芯片中
专门PCR实验室 占用较大场地 严格分区 需多种仪器 多步骤手工操作 专业熟练操作人员
小小芯片实现核酸提取、 纯化、扩增、基因分型
Encompass MDx 芯片控制仪
预警灯
加样泵、摄像头
用户操作界面
试剂盒枪头放置区
芯片放置区
样本盒放置区
在微流体芯片上如何实现分子检测的主要过程
实验室功能
扩增产物分析区
平台化的系统，可开展多种检测项目
耳聋基因检测 优生优育/ 性传播疾病 肠道病毒检测
呼吸道感染
十年
全球第一个
全球首个HPV微流控全 自动核酸检测系统
易
样品码自动识别
样品管上的条形码可被 芯片控制仪自动识别， 连接医院LIS系统
历经十年研发
中美联合，从样机到产 品，十年研发。
操作简单方便 No.1
操作者无需再面临进行 分子检测时对条件与人 员的苛刻要求。
样品准备区
扩增区
芯片上有三个工作区
1. 2. 3.
核酸提取和纯化 PCR扩增 反向杂交（终点检测，24个基因亚型）
芯片特点
检测HPV24种亚型 18+6 利用磁珠法进行核酸（DNA）提取
MEMS技术在微流控芯片中的应用
MEMS技术在微流控芯片中的应用近年来，激光技术、微纳加工技术、生物传感技术等一系列新兴技术的迅速发展，推动微流控芯片技术不断取得新的进展。
微流控芯片是一种将微小液滴、细胞、粒子等进行微小操作的芯片，已经在药物筛选、病毒检测、细胞捕获和分离等多个领域得到应用。
其中，MEMS技术是微流控芯片中不可或缺的技术之一，本文将探讨MEMS技术在微流控芯片中的应用。
一、MEMS技术在微流控芯片中的基本原理MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术是指采用微电子加工技术制造微小的机械、电子、光学和磁学元件或系统的技术。
在微流控芯片中，MEMS技术主要用于制造微型流体控制器件，如微型泵、微型阀门、微通道等。
通过MEMS制造的微流体控制器件，可以在微小尺度内实现精确灵活的流体操控和分析。
以微型泵为例，其原理是利用电压控制微小压电膜的膨胀和收缩，从而产生微流体引导和输送的效果。
而微型阀门则利用电极控制膜片的抬升和下压，从而实现流体的开关控制。
通过MEMS技术的微流体控制器件，可以实现精确的微小流体操作和分析，为微流控芯片的应用打下坚实的基础。
二、MEMS技术在微流控芯片中的应用领域1.生物学应用MEMS技术在生物学应用方面的威力凸显。
通过MEMS技术制造微型通道、微型泵和微型阀门，可以实现微小液滴、细胞、粒子等的分离、操控和检测。
同时，MEMS技术也可以制造微型生物芯片，实现分子检测、蛋白质分析、细胞分离等多项生物实验。
2.医学应用MEMS技术在医学应用中得到广泛应用。
微流控芯片可以显著提高药物筛选的效率，同时也能对药物对病原微生物生成的影响进行研究。
针对疾病诊断方面，可以通过微流控芯片进行肿瘤细胞检测、糖尿病病人血糖监测等，为临床医学提供更为精准的检测手段。
3.环境应用MEMS技术在环境应用领域的应用正在不断拓展。
利用微流控芯片制备环境检测芯片，可以实现对污染物的迅速监测和分析。
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But no work yet with microorganisms!
– This can actually lead to faster reactions!
Gel electrophoresis
1-3ｈ
Capillary electrophoresis
sample separation capillary detection
buffer
High voltage
buffer
Yeast Blood Cells cryptosporidium
Microfluidic or Lab-on-a-chip Devices can be used to separate different cell types
Various blood cell separations have been demonstrated:
Lung Disease: Pseudomonas spp. Mycobacterium tuberculosis
Biowarfare: Anthrax, plague, smallpox
Methods for Genetic Detection of Pathogens
OLD WAY:
NEW WAY:
目前最高通量微流控芯片平台
Aborn, J.H., et al., Lab on a Chip, 2005. 5(6): p. 669-674
门控进样多通道检测
Xu, X.M., et al., Analytical Chemistry, 2002. 74(21): p. 5517-5522
高通量均相免疫分析
• J. A. Davis, D. W. Inglis, K. M. Morton, D. A. Lawrence,
L. R. Huang, S. Y. Chou, J. C. Sturm, and R. H. Austin, Deterministic hydrodynamics: taking blood apart, Proc. Nat. Acad. Sci. (USA), vol. 103, pp. 14779-14784, 2006.
Bacterial Pathogens
Food poisoning
Wound infections Lung Disease
Dr. Sharon Peacock, University of Oxford
Biowarfare
Food poisoning: Pathogenic E. coli: >1 in 10,000 in Canada Salmonella spp.: as high as 1 in 50 eggs Wound infections: Antibiotic-resistant S. aureus: as high as 50%
Credit: Dr. Karen Cheung, UBC ECE
Why use microfluidics?
Credit: Dr. Karen Cheung, UBC ECE
1 molecule in 1 mL = 1.6 x 10-18 M 1 molecule in 1 nL = 1.6 x 10-15 M 1 molecule in 1 pL = 1.6 x 10-12 M
Disease caused by Mycobacterium tuberculosis 9 million new cases of active TB every year worldwide
2 million TB deaths every year
450,000 new cases of multi-drug resistant TB / yr
10% of TB cases in South Africa are XDR TB strains, resistant to first- and second-line antibiotics
Doctors Without Borders:
Current TB detection methods
– Portable devices for pathogen detection – High-throughput biology
• • • • • • •
Chemical synthesis Cell Immunoassay analysis Metabolite analysis Drug delivery systems Single molecular Enzyme analysis
1. Fixation and staining with acid-fast stains (Ziehl-Neelsen or auramine stains) 2. Optical or fluorescence microscope examination ( 10,000 organisms/mL)
Courtesy of Dr. Boris Stoeber
Genetic analysis microsystems
96-channel radial capillary array electrophoresis microplate
Anal Chem. 1999 ;71(23):5354-61
D. W. Inglis, J. A. Davis, T. J. Zieziulewicz, D. A. Lawrence, R. H. Austin, and J. C. Sturm, Determining blood cell size using microfluidic hydrodynamics, J. Immunol. Meth., vol. 329, pp. 151-156, 2008.
Bromberg, A. and R.A. Mathies, Electrophoresis, 2004. 25(12): p. 1895-1900.
Lab-on-a-chip Devices for Cell Separation and Identification
Microbes, cells and small organisms come in a wide array of shapes and sizes
10-30 min
Microchip electrophoresis
1-3 min Multi-channel microchip electrophoresis
1-3 min/ 12 samples
Some interesting LOC applications • Genetic analysis
• • • • Miniaturization Automation Integration Portable
Lab on a Chip?
Microfluidics
Microfluidics: The use of microfabrication techniques from the IC industry to fabricate channels, chambers, reactors, and active components on the size scale of the width of a human hair or smaller
Why use microfluidics?
• Sample savings – nL of enzyme, not mL • Faster analyses – can heat, cool small volumes quickly • Integration – combine lots of steps onto a single device • Novel physics – diffusion, surface tension, and surface effects dominate
3. Culture in biosafety level 3 containment facility
In select cases, molecular detection is used to verify diagnosis "That TB destroys millions of lives around the world every year shows that the current approach is just not working…The tools we have to treat and diagnose TB are woefully inadequate and outdated, and we're not seeing the necessary urgency to tackle the disease." Dr. Tido von Schoen-Angerer, Director, DWB’s Campaign for the Access to Essential Medicines
Field-portable
PCR-CE Microsystem Fabrication
Portable System for Infectious Disease Detection
System measures 8 x 10 x 12 inches
•
• • • •
Complete fluorescence detection including 488-nm solid-state laser, PMT, optics, and detection electronics Heater and RTD electronics 4 high-voltage CE power supplies PDMS microvalve hardware Simple PC interface