《集成化混合和驱动单元的微流控芯片研究_硕士学位论文（pdf格式可编辑）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成化混合和驱动单元的微流控芯片研究_硕士学位论文（pdf格式可编辑）.pdf（76页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、乙集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究摘要微流控芯片作为一种新型的化学、生物分析检测技术平台，具有微型化、集成化等特点，在化学、生物分析检测等领域具有良好的应用前景。微小尺寸下如何实现流体的混合和驱动对微流控芯片的应用具有重要的影响。本文针对微流控芯片中流体的混合和驱动部分进行了研究，并结合核酸片段传感技术(N u c l e o t i d eF r a g m e n t a t i o nS e n s e，N T F S)在微流控芯片中实现了腺嘌呤三磷酸核苷酸(A T P)的检测，主要研究内容包括：1 Y 型微流控芯片及其在A T P 检测中的应用。通过延长Y 型玻璃微流控芯片的通道长
2、度，来延长溶液在芯片中的流动时间，从而使溶液在芯片中达到了较好的混合和反应，并通过制作外加的加热装置解决了芯片中反应温度的控制问题。结合核酸片段传感技术，在该芯片中实现了A T P 的检测，检测下限达到了5 0n M。本部分研究解决了溶液在芯片中的混合和反应温度的控制问题，证实了在微流控芯片平台上使用N T F S 技术进行检测的可行性。2 基于微珠的混沌型微流控芯片及其在A T P 检测中的应用。由于溶液在微流控芯片中主要以层流方式流动，因此Y 型芯片中溶液的混合需较长的通道，且混合效率不高。我们在微流控芯片中填充一段聚苯乙烯微珠，使溶液流过时形成湍流，从而加速了不同溶液的混合，显著缩短了通
3、道长度，提高了混合效率。以A T P 的检测为例，芯片通道的长度由Y 型芯片中的4 0 0m m 缩短到了4 0 m m，检测下限降低到了2 0n M。说明填充微珠是一种简便、高效的混合方式，无需设计复杂的微流控芯片结构，并且易于作为一个单元与其它的芯片单元相集成。3 集成了微驱动装置的微流控芯片及其在A T P 检测中的应用。针对现有的驱动装置加工复杂且不易微型化和集成化的问题，在微流控芯片的盖片上布设蒸发孔和填充吸水膜，将基于毛细作用和蒸发作用的“微泵集成于微流控芯片上，从而实现了对微流控芯片中液体的驱动。同时，还将基于微珠的溶液混合单元也集成到该芯片中，实现了A T P 的快速、灵敏检测
4、。该驱动方式避免了在芯片上外接大型设备，对发展通用性好、使用方便的芯片检测技术具有重要的参考价值。关键词：微流控芯片；混合；驱动；A T P1】，_，A b s t r a c tA san e wt y p eo fc h e m b i o a n a l y t i c a lp l a t f o r m，m i c r o f l u i d i cc h i p sh a v es o m ea d v a n t a g e ss u c ha sm i n i a t u r i z a t i o n，i n t e g r a t i o na n dS Oo n I th
5、 a sg o o dp r o s p e c t si nc h e m b i o a n a l y s i s T h em i x i n ga n dd r i v i n go ff l u i da r ei m p o r t a n tf o rt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o f t u i d i cc h i p si nt h em i c r o no rn a n o l e v e lc h a n n e l T h i st h e s i sf o c u s e do ni n v e s t i g a
6、t i n gt h ef l u i dm i x i n ga n dd r i v i n gi nm i c r o f l u i d i cc h i p s T h ed e t e c t i o no fa d e n o s i n et r i p h o s p h a t e(A T P)w a sa c h i e v e di nm i c r o f l u i d i cc h i p s，w h i c hu t i l i z e dt h eN u c l e o t i d eF r a g m e n t a t i o nS e n s e(N T
7、 F S)T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e：1 Y-t y p em i c r o f t u i d i cc h i pf o rA T Pd e t e c t i o n I no r d e rt oa c h i e v eab e t t e rm i x i n ga n dr e a c t i o ne f f i e n c yo fr e a c t a n t si nt h em i c r o f l u i d i cc h i p，t h el e n g t ho ft h eY
8、-t y p eg l a s sm i c r o f l u i d i cc h i pc h a n n e lw a se x t e n d e d T h i ss e c t i o na ls od e v e l o p e dam e t h o df o rt e m p e r a t u r em a n i p u l a t i o ni nm i c r o f l u i d i cc h i p s，u t i l i z i n ga na d d i t i o n a lh e a t i n gd e v i c e T h eA T Pd e t
9、 e c t i o nw a sa c c o m p l i s h e di nt h i sm i c r o f l u i d i cc h i p，w i t had e t e c t i o nl i m i to fa b o u t5 0n M I nt h i ss t u d y,s o l u t i o nm i x i n ga n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gw e r ea c h i e v e ds i m u l t a n e o u s l y T h ef e a s i b i l i
10、t yo fu s i n gN T F Sf o rd e t e c t i o no nt h ed e v e l o p e dm i c r o f l u i d i cc h i pp l a t f o r mw a sa l s oc o n f i r m e d 2 C h a o t i cm i x i n gm i c r o f l u i d i cc h i pc o m b i n e dw i t hb e a d sf o rA T Pd e t e c t i o n T h em i x i n go fs o l u t i o ni nt h
11、eY-t y p em i c r o f l u i d i cc h i pr e q u i r e dal o n gc h a n n e la n dt h em i x i n ge f f i c i e n c yw a sn o th i g he n o u g h，b e c a u s et h ep r e d o m i n a n tf l o wt y p ei ns u c hc h a n n e lw a sla】n i n a r T oc o n s t r a c tam i c r o m i x i n gu n i t，p o l y s t
12、 y r e n eb e a d sw e r ef i l l e di n t ot h eg l a s sm i c r o f l u i d i cc h i p T h el a m i n a rm i x t u r ec a nf o r mt u r b u l e n tm l x m gW h e nt h em i x t u r ef l o w st h r o u g ht h eb e a d sa r e a，w h i c ha c c e l e r a t e dt h em i x i n go fd i f f e r e n t“n d so
13、 fl i q u i d s，s i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h ec h a n n e ll e n g t ha n di m p r o v e dt h em i x i n ge f f i c i e n c v T h ec h i pw a su s e dt od e t e c tA T P,i nw h i c ht h el e n g t ho ft h ec h a n n e lr e d u c e df r o m4 0 0m mi nY-t y p ec h i pt o4 0m ma n dt h ed
14、e t e c t i o nl i m i tw a sr e d u c e dt o2 0n M I ti n d i c a t e dt h a tt h i sm i x i n gm e t h o dw a ss i m p l e，e f f i c i e n t，a n dn oc o m p l e xs t r u c t u r ew a sn e e d e d T h e r e f o r e，i ti sa v a i l a b l ef o ri n t e g r a t i o nw i t ho t h e re l e m e n t so fm
15、 i c r o f l u i d i cc h i p sf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o n 3 M i c r o-d r i v e ri n t e g r a t e dm i c r o f t u i d i cc h i pf o rA T Pd e t e c t i o n T h ep r e s e n tm i c r o d r i v e r sh a y eS O m ep r o b l e m s，i n c l u d i n gc o m p l e xm a n u f a c t u r ea n dd
16、i f f i c u l t i e si nm i n I。a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n T h ec a p i l l a r ya n de v a p o r a t i o na c t i o no ft h e”m i c r o D u m p”w a si n t e g r a t e di n t ot h em i c r o f l u i d i cc h i pt os o l v e t h e s ep r o b l e m sm 一rLrItrl【j-IIIIrl。-_I-I-IIf1
17、1，。jj11】，11J1，集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究=。=!=!=!=!=!=!=2=!=!=!=g =E 自1 2=!=!t h r o u g hd e s i g n i n ge v a p o r a t i o nh o l e so nt h eC o v e ro fm i c r o f l u i d i cc h i pa n df i l l i n ga b s o r b e n tm e m b r a n e A tt h es a m et i m e，t h eb e a d b a s e dm i x i n gu n i tw a sa l
18、 s oi n t e g r a t e di n t ot h em i c r o f l u i d i cc h i p，a n dr a p i d，s e n s i t i v eA T Pd e t e c t i o nw a sa c h i e v e d T h i sd r i v em o d ea v o i d st h el a r g ee x t e r n a ld e v i c e so nt h ec h i pa n ds h o w e dp o t e n t i a lf o rt h ed e v e l o p m e n to fv
19、 e r s a t i l em i c r o f l u i d i cc h i p s K e yW o r d s：M i c r o f l u i d i cc h i p；M i x i n g；D r i v i n g；A T P一rfrrLlr，：1，1j，_，|，J，1，1i1-】j，j，、，l1硕士学位论文本文所用英文缩略词表V-l_1一j，11I集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究目录学位论文原创性声明一I学位论文版权使用授权书I摘要I IA b s t r a c t t I I I本文所用英文缩略词表V第1 章绪论11 1 微流控芯片概述l1 2 微流控芯片中
20、流体的混合l1。2 1 被动式混合器21 2 2 主动式混合器61 3 微流控芯片中流体的驱动81 3 1 微流体的机械驱动系统81 3 2 微流体的非机械驱动系统”1 11 4 本论文拟开展的工作1 4第2 章Y 型微流控芯片及其在A T P 检测中的应用1 62 1 前言1 62 2 实验部分1 62 2 1 试剂与仪器1 6。2 2 2 芯片结构及装置示意图1 82 2 3 分子信标性能考察1 82 2 4A T P 检测可行性考察1 92 2 5 芯片中溶液混合效果的考察1 92 2 6 芯片中A T P 的检测1 92 2 7 芯片中A T P 检测特异性考察1 92 2 8 荧光信
21、号的测量1 92 3 结果与讨论一2 02 3 1 实验原理2 02 3 2 分子信标性能考察”2 02 3 3 实验的可行性分析2 12 3 4 芯片中溶液混合情况的考察“2 32 3 5 实验条件的优化”2 32 3 6A T P 的检测2 52 3 7A T P 检测特异性_-2 6硕士学位论文2 4 小结2 7第3 章基于微珠的混沌型微流控芯片及其在A T P 检测中的应用2 83 1 前言2 83 2 实验部分2 83 2 1 试剂与仪器“2 83 2 2 芯片结构及装置示意图2 93 2 3 微珠形貌及封闭效果的考察2 93 2 4 芯片中溶液混合效果的考察3 03 2 5 芯片中
22、A T P 的检测3 03 2 6 芯片中A T P 检测特异性考察3 03 2 7 荧光信号的测量一3 03 3 结果与讨论3 13 3 1 实验原理3 l3 3 2 微珠形貌的考察“313 3 3 微珠封闭效果的考察3 23 3 4 芯片中溶液混合情况考察3 33 3 5 溶液流速的优化“3 43 3 6A T P 的检测3 43 3 7A T P 检测特异性3 53 4 小结3 6第4 章集成了微驱动装置的微流控芯片及其在A T P 检测中的应用3 74 1 前言3 74 2 实验部分，3 74 2 1 试剂与仪器3 74 2 2 芯片结构及装置示意图3 84 2 3 芯片制作一3 94
23、 2 4 芯片通道的P B D S 改性3 94 2 5 芯片中流速的测量4 04 2 6 芯片中溶液驱动及混合效果的考察4 04 2 7 芯片中A T P 检测4 04 2 8 芯片中A T P 检测特异性考察4 14 2 9 荧光信号的测量4 14 3 结果与讨论。4 14 3 1 实验原理4 14 3 2 芯片制作及通道改性考察”4 21J】jJ1，1，l!J】J，11J集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究4 3 3 芯片中溶液驱动及混合情况考察4 34 3 4 芯片中流速的测量4 44 3 5 溶液流速的优化4 54 3 6A T P 的检测标准曲线4 64 3 7A T P 检测特异
24、性4 74 4 小结4 8结论4 9参考文献5 0附录攻读学位期间所发表的学术论文目录5 6致j 射。5 7一V m-、，cCJl】lI111l-，ll0ll1l1硕士学位论文第1 章绪论随着科学技术的不断进步，要求生化分析朝着体积更小、反应更快、灵敏度更高的方向发展。在这种要求的基础上，M a n z 和W i d m e r 于2 0 世纪9 0 年代初首次提出微全分析系统(p-t o t a la n a l y s i ss y s t e m s，I 上-T A S)的概念【l】。在此后十余年中该领域已发展成为当前世界上最前沿的科技领域之一，其核心即是以微流控技术(M i c r o
25、 f l u i d i e s)为基础的微流控芯片。1 1 微流控芯片概述微流控芯片主要是采用微机电加工的手段(M i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s，M E M S)，在一块几平方厘米以石英、玻璃或高聚物等材料的芯片上构建出微通道网络结构，以分析化学和生物化学为基础，完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的技术【2】。目前主要以生物医学和生命科学为应用对象，已经在分析系统、生物医学器件和生物化学工具等方面发挥着越来越重要的作用【3，4 1，微流控芯片的基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵
26、活组合、规模集成，从而实现以分辨率高、耗样量少、快速和实时为特征的整体微型化和自动化的分析系统。该系统可以适用于生化分析、食品检测、药物筛选、医疗诊断和环境监测等众多领域的研究与应用 5-9】。因而近几年得到了广泛的发展【1 0】，成为科研工作者进行研究的主要对象之一。微流控芯片充分体现了当今分析设备微型化、集成化和便携化的发展趋势。微型化的通道尺寸为微流控芯片在检测中的应用带来了一系列的优势：首先，体积的缩小大大降低了样品和试剂的消耗量；其次，由于比表面积的增大和扩散距离的缩短，使得分子扩散所需时间大大降低，从而加快了反应速度，缩短了反应时间【3】。例如通道尺寸由1c m 减小到1 0 0“
27、m，则体积变为原来的1 1，0 0 0，0 0 0，试剂用量由m L 变为n L，分子扩散时间减小为原来的1 10，0 0 0。但同时由于通道尺寸的微型化，使得芯片中流体的混合和驱动控制变得十分重要。因此，如何使流体在通道中实现快速、均匀的混合和微型化、集成化的驱动，是微流控芯片发展中要解决的重要关键问题。1 2 微流控芯片中流体的混合混合是反应物在反应前接触的必经过程，而反应是化学和生物分析中极其重要的单元操作。因此，是否能达到快速、均一的混合对于生化分析具有十分重要(1)层迭式混合器T 型和Y 型混合器因其结构简单，从而成为发展较早的微混合器【l 弘1 1 7 1。在这种混合器中，两股流体
28、呈T 型或Y 型配置进入直线微通道混合。由于微通道尺寸在微米级甚至是纳米级，即使层流状态下，仅通过分子扩散，也可以实现流体的混合。W o n g 等t 1 5】报道了一种基于硅片和耐热玻璃制作的T 型微混合器。通过光学显微镜观察到两种溶液在这种混合器中可以实现均一的混合。硕上学位论文图1 1 典型的T g f l 微混合器【1 5 JF i g u r e1 1T y p i c a lT-t y p em i c r o m i x e r 1 5】H i n s m a n n 等【1 6 1 介绍了一种Y 型微混合装置，在这种混合器中，流体被分散成薄层，达到了增大接触面积，减少混合时间的
29、目的。图1 2Y 型微混合装置【1 6 1F i g u r e1 2Y-t y p em i c r o m i x e r【1 6】(2)注射式混合器用一组微喷头阵列把混合组分喷射到混合腔中，这样将会产生一些羽状射流，增加了各个流体间的接触面积，进而可以达到缩短混合时间，提高混合效率的目的，这就是注射式混合器。M i y a k e 等1 8，1 9 1 曾报道一组由4 0 0 个微喷头组成的微混合装置。V o l d m a n 等【2 0】提出了利用毛细力来产生微羽流结构。虽然该方法可使流体达到快速的混合，但是由于受到加工等手段限制，且该芯片极易出现堵塞，故该方法使用较少。(3)混沌式
30、混合器在宏观尺度下，流体的对流是混合的主要方式，可以通过湍流以及一些流动在有限的通道内可以快速达到均匀的混合，从而达到快速检测A T P 的目的。V a l e n c i a 等【2 6 1 通过设计曲折型的通道，使芯片中的溶液快速混合，从而实现了芯片中一步合成单分散的脂质纳米颗粒和脂质化的量子点。硕士学位论文图1 4 采用曲折型通道的芯片【2 5 1F i g u r e1 4Ac h i pw i t ht o r t u o u s t y p ec h a n n e l 2 5 1。除此之外，还可以采用特殊形状的管道结构来促进混合 2 7。3 0】，J e n 等【2 7 1 设计
31、和对比了几种特殊形状的混沌微混合器。图1 5 形状示意图【2 7】a T 型混合器；b 扭转结构混合器；c 倾斜结构混合器；d 波浪结构混合器F i g u r e1 5S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e s es h a p e s l“Jr 1a T-t y p em i x e r；b r e v e r s es t r u c t u r em i x e r；c t i l t e ds t r u c t u r em i x e r；d w a v cs t r u c t u r em i x e rJ u n g 等 2 8】设计并
32、制作了以P D M S 为材料的Z 型微流控芯片，在该微流控芯片中两种溶液可以达到快速混合，从而实现了对D N A 的灵敏快速检测。K w o n 等【3 0 1 在Z型微流控芯片上通过样品与试剂混合后发生的荧光变化检测氰根离子，操作简单，检测限低。集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究(4)液滴式混合器在液滴式混合方式中，待混合的两种液体和夹在中间阻隔它们提前接触的惰性液体一同流入不互溶的油性液体中形成液滴，在液滴内部实现液体的混合。相对于普通的依靠层流扩散的混合方式，液滴式混合的两种液体在液滴内依靠湍流快速混合，且在流动过程中没有弥散现象3 1 3 2 1。卜：嚣蠹一巾卜曼：鱼啼y i：二：
33、j i“，图1 6 混合方式对比图【3 1 1a)简单的Y 型微混合器；b)液滴型微混合器F i g u r e1 6C o m p a r i s o nm a po fm i x e d m o d e【3 1】a)as i m p l eY-t y p em i c r o-m i x e r；b)d r o p l e t-b a s e dm i c r o m i x e rS o n g 等【3 1 1 介绍了这种液滴式混合器，并与简单的Y 型混合器相比较，发现液滴式混合器具有更高的混合效率，在生化分析或化学合成等方面具有广阔的应用前景。1 2 2 主动式混合器被动式混合器虽然结
34、构上较为简单，但是对于一些特殊形状或结构，加工和制作都是比较困难的，并且混合效率也受条件限制。因此主动式微混合器被广泛研究并发展起来，它依靠外界的动力作用，通过周期性地扰动微通道中的流动，在混合器内部形成横向流、二次流以及混沌流，来增加流体间的接触面积，进而增强分子的扩散作用，提高了混合效率。目前，主动式混合器比较常用的外力包括：磁力、压力、声场力、电场力等。(1)磁力混合器磁力混合器是通过电磁场直接作用到某些液体或驱动其他装置干扰流场的正常流动，以达到改善混合效果的目的3 3，3 4 1。硕士学位论文戛h 罗锯一最彭图1 7 磁力搅拌微混合器示意图【3 4】F i g u r e1 7S c
35、 h e m a t i cd i a g r a mo fm a g n e t i cs t i r r i n gm i c r o m i x e r 3 4】R y u 等【3 4 1 将含有微磁力搅拌棒的混合器集成在聚对二甲苯芯片通道中，以外部旋转磁场驱动微磁力搅拌棒对液体进行扰动，显著提高了液体混合的效率。L e e等3 5 1 发展了一种综合利用磁场力与电场力的装置，从而对流体产生扰动，达到加速芯片通道中流体混合的目的。(2)压力混合器压力扰动微混合器是在芯片入口或混合通道的侧壁加以周期性压力或速度脉动，使得流体间产生横向流动或很多细小的涡旋，来增大流体间的接触面积。B o t
36、 t a u s c i 等【3 6 1 提出，在混合槽道的两壁分别布置三个小的支流产生压力脉冲，干扰主流的流动，从而达到快速混合的目的。(3)声场力混合器声场微混合器是指以声场为外力的主动混合方式【3 7 4 0】。嘲髫【c【d)图1 8 气泡引发的声场微混合器在不同时间下混合3 7 1a 0Sb 1 5SC 3 5sd 7 0SF i g u r e1 8T h em i x i n gd i a g r a mo fb u b b l e i n d u c e da c o u s t i cm i c r o m i x e ra td i f f e r e n tt i m e【
37、3 7】a 0sb 1 5Sc 3 55d 7 0s7 馘露彩k r；rt集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究L i u 等【3 7】介绍了一种由气泡引发的声场微混合装置。在这种装置中，压电盘被置于反应池背面，将符合要求的气泡引入待混合液中，由声场引发的稳定循环流使停留在固体表面的气泡产生震动，从而形成球形对流，达到加速流体混合的目的。超声现象作为一种高频的振动方式，也是以声场为外力的一种主动混合方式。由于高频超声的作用，使得流体产生褶皱，增加了流体间接触的频率，进而达到加快流体扩散的目的。M o r o n e y 等【3 8】利用柔性平板波器件(F l e x i b l eP l a t
38、 eW a v eD e v i c e)证明了利用超声加快溶液混合的可行性。然而，在超声式混合器中，由于声能的作用将会产生热效应，使得流体的温度升高，因此，该方法不适用于生物样品。总之，随着近年来M E M S 技术的发展，大量的微混合器被设计、加工和制作出来，其在混合方式、加工制作工艺以及应用等方面都取得了长足的进步。但各种混合器各有优缺点以及适用范围，因此还有很多工作要开展以满足实际应用中可靠性、实用性、经济性的要求。1 3 微流控芯片中流体的驱动微流控芯片的运作基础是微通道网络中微流体的驱动和控制技术，而其中微流体驱动技术更是实现微流体控制的前提和基础。因此，如何对微流体进行驱动一直受
39、到广泛的关注。依据驱动系统是否包含有活动的机械部件，可将微流体的驱动系统分为两大类，即有活动机械驱动部件的微驱动系统和无活动驱动机械部件的微驱动系统，简称机械和非机械驱动系统【2】。1 3 1 微流体的机械驱动系统按驱动方式划分，微流体机械驱动系统又可分为：离心力驱动系统、压力驱动系统、气动微泵、静电微泵、热气动力微泵和压电微泵等。现对其中的一些进行简要的介绍。(1)离心力驱动系统离心力驱动是利用芯片在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为流体的驱动力4 1，4 2 1。D u f f y 等t 4 1 1 报道了一种在芯片上集成加工有4 8 个酶分析结构单元的离心式微流控分析系统。通过改
40、变芯片旋转速度和设计不同的通道构型，可调节和控制流体的流速。通常离心力驱动的芯片为圆盘形，一般可在芯片上集成数十至数百个呈辐射状分布的结构单元阵列，有利于实现微芯片的高通量分析。系统工作时，被驱动液体放置于靠近芯片圆心的贮液池中，芯片旋转时在离心力的作用下液流通过微通道硕士学位论文网络流向芯片外周。AR 1f 毪R 3图1 9 离心力驱动微流控芯片4 1】F i g u r e1 9C e n t r i f u g a lf o r c ed r i v em i c r o f l u i d i cc h i p 4 1 1离心力驱动微泵的优点是：设备较简单，微泵本身不需控制阀，驱动和控
41、制设备一体化；芯片上没有可活动的机械部件，加工工艺要求不高：流体流动无脉动；驱动系统与被驱动系统不直接接触，因此对流体的种类没有特殊要求；可以同时集成多个结构单元，实现高通量分析。缺点是芯片内所有液流同时受力，如无外加微阀的配合使用，则无法完成复杂的微流控操作。且旋转的芯片不易于与外部的试样引入系统、信号的检测系统等设备进行联用，在一定程度上限制了这一技术的应用。(2)压力驱动系统压力驱动系统是通过外加的蠕动泵、注射泵等设备对流体产生一定的压力，使流体在芯片中流动，通过调节泵速来达到对流体的控制【4 3 4 6 1。s o l u t i o n Ao rCl _ 啤搿”*-|畛，“卜种”s
42、o l u t i o nBo r蠡逸盔么。一。施。如。瘟溢图1 1 0 采用压力驱动系统进样的示意图【4 3 lF i g u r e1 10S c h e m a t i cd i a g r a mo fp r e s s u r ed r i v es y s t e m【4 3】-Irr-lrr-prL集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究K i t a m o r i d x 组发表了一系列的基于微流控芯片的工作，均是采用注射泵进样的方式，通过对泵的调节，可以很好地控制流体的流动速率4 3，4 4 1。J o n s s o n 等【4 5】利用了这种基于注射泵的流体驱动方式，通过对
43、流体流量大小的调节，达到了分析脂质双分子层的目的。压力驱动系统的优点是：设备较简单，驱动和控制设备一体化；芯片上没有可活动的机械部件，加工工艺要求不高；驱动系统与被驱动系统不直接接触，因此对流体的种类没有特殊要求；流体的流速易于控制，可以完成复杂的微流控操作。缺点是：蠕动泵驱动的流体有脉动性，在低流速下尤为明显；由于泵的数量限制，难以实现高通量分析；泵的体积较大，难以实现微型化。(3)气动微泵气动微泵是指流体的致动力为气动动力的微泵【4 7 4 9 1。该微泵的基本构型一般采用三层结构，上层为带微通道的芯片，通道被用作进行流体控制(控制通道)；中层为聚合物薄膜，作为阀膜或泵膜使用，通常厚度为3
44、 0p m；下层为带微通道的芯片，其通道被用作流体流动通道(流动通道)。图1 1 l 气动微泵示意图 4 9 1F i g u r e1 11S c h e m a t i cd i a g r a mo fp n e u m a t i cm i c r o p u m p【4 9】L i n 等【4 9】报道了一种基于气动微泵控制进样的自动、连续的p H 传感芯片。通过控制通道内的压力来控制进样。当增加控制通道内的气压时，泵膜在此压力作用下向其下部的流动通道发生形变。当压力足够大时，泵膜堵塞流动通道，完成对通道的封闭。撤销致动压力，泵膜恢复原状，流动通道重新导通。B e y o r 等【5
45、 训介绍了一种利用气动微泵进行流体控制的芯片，集成了病原体捕获、浓缩、P C R反应和毛细管电泳分析的功能。在这种集成化的芯片中，可以实现快速、灵敏的病原体检测。气动微泵具有体积小，易于集成化；加工难度低，制作速度快等优点。缺点是流体流动有脉动性，气源采用外置气源和控制阀，外部设备体积较大。触瀚1 乡一几妙忡，0觚8e，一8呷蚀8硕士学位论文1 3 2 微流体的非机械驱动系统依据系统所用的驱动方式的不同可分为：电渗微泵、磁流体驱动泵、重力驱动泵、基于毛细与蒸发作用的微泵和电流体驱动泵等。(1)电渗微泵电渗驱动属于制动力直接作用于流体的驱动方式，其原理是利用微通道表面存在的固定电荷进行驱动【5
46、1。5”。以玻璃基质微芯片为例，在中性或碱性p H 值下，玻璃通道表面通常带负电荷，液流中与其相邻的部分形成沿通道壁的带正电荷的界面，即双电层。在通道两端施加电压，带正电荷的界面在电场作用下产生迁移，继而带动通道内界面包裹的液流产生电渗流，即液体的流动。双电层厚度通常只有数十纳米，因此电渗泵可在极小的微通道内工作。H o f f m a n n 等【5 1】首次将等电聚焦电泳平移至微流控芯片平台上用于蛋白质分析，通过电渗微泵对流体进行控制，可实现蛋白质的快速、高效的分析。E m r i c h等【5 2】利用二维微分凝胶电泳(D I G E)发展了一种微流控分离系统，结合等电聚焦，用于分离复杂
47、的蛋白质混合物。H e r r 等【5 3】在微流控芯片中利用均相免疫反应结合电泳技术检测唾液中的基质金属蛋白酶8(M M P 8)，并将样品的预处理也结合到了芯片上，使检测非常快速且操作简单。图1 1 2 电渗驱动微泵(5 2 lF i g u r e1 12E l e c t r o o s m o s i s d r i v e no fm i c r o p u m p【5 2】电渗微泵的优点是：系统较简单，无需活动的机械部件；流体流动无脉动；微流控操作方便易行，可以完成较为复杂的混合、反应和分离等操作。缺点是：驱动需要高电压；只能驱动可产生电渗流的介质；易受多种因素变化的影响，稳定性
48、有待提高。(2)磁流体驱动泵磁流体驱动泵的主要原理是利用外加的磁场或电场，对通道内的磁流体【5 4】或导电流体【5 5，5 6 1 进行控制，作为流体的驱动力。S u n 等【5 4】介绍了一种以P M M A 为材料的微流控芯片，在芯片通道中引入磁流体，通过外加的磁场对磁流体进行控制，进而达到对流体的控制，在芯片中实现集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究P C R 反应。白-豳l0 2 c)I l 憎碰叼鼬c，(d)图1 1 3 磁力驱动的芯片示意图【5 4 IF i g u r e1 13S c h e m a t i cd i a g r a mo fc h i pw i t hm a
49、g n e t i cd r i v e n l 5 4 磁流体驱动泵的优点是：芯片结构较为简单；加工难度不高；流体流动无脉；流体流动的方向易于调节。缺点是：驱动的流体必须是磁流体或导电液体，需要外加的设备。(3)重力驱动泵重力驱动泵是采用重力作为驱动力的微泵【5 7。6 2】。本实验室设计的基于微珠的一维微流控芯片就是采用重力驱动的方式对流体行驱动，通过在通道内设计卡口固定琼脂糖或二氧化硅微珠，并在微珠上进行饰，实现对相关蛋白或D N A 表达的检测，操作简单，具有较高的灵敏度和选择性【5 8，5 9 1。方肇伦小组设计和制作了利用重力驱动的微流控芯片，将其用于多相层流分离，从而实现了样品的
50、在线净化和在线检测【6 们，另外，还将重力驱动芯片与高通量试样引入系统联用，大大简化了系统的结构和操作，使其对不同试样的分析通量显著提高【6 l】。X u 等【6 2】进一步对用重力驱动的微流控芯片进行了改进。通过控制液体的温度，利用蒸发产生的气泡，在不需改变溶液的高度差的情况下，实现了对芯片中流体流量的调节。重力驱动泵的优点是：泵的结构简单，没有活动的机械部件，无需任何能源系统；操作简单，易进行多通道驱动操作；流体流动无脉动；对流体性质要求不硕士学位论文高。缺点是：泵压较小，流速不易调节；液流更换较为不便；不能采用消除驱动力的方法实现停泵停流。t y g o nt u b e图1 1 4 重