液滴技术（一）液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种全新的操纵微小体积液体的技术。液滴的形成类似于乳化现象，在传统的乳化过程中，两种不相溶的液体，如油与水，在容器中分成两层，若加入适当的表面活性剂并强烈搅拌，油被分散在水中，形成乳状液；在微流控芯片上产生液滴，是将两种互不相溶的液体，以其中的一种作为连续相，另一种作为分散相，分散相以微小体积（10-15 L-10-9 L）单元的形式分散于连...

微分离技术（三）7.3.1.5 芯片等电聚焦电泳对于类似蛋白质这样的两性电解质分子而言，其荷电的状况视介质的pH而异。在某一个pH时，蛋白质分子的表观电荷数为零，通常将使某一个蛋白质表观电荷数为0的pH称为这一蛋白质的等电点（pI），不同的蛋白质等电点不同。如果两性电解质分子处于pH与pI一致的介质中而介质又不受电渗的推动，则该组分的定向迁移就会停止。如果介质中的pH是位置的函数，那么有可能...

微分离技术（二）7.3.1.2 介质筛分芯片电泳筛分电泳是利用生物大分子和筛分介质（高分子溶胶或凝胶）之间的动态交缠作用，把被分离物质按照分子量大小分开的一种技术，它是传统的平板电泳和毛细管电泳中研究最多，应用最广的一种电泳分离模式。早在1990年代，作者实验室即在毛细管筛分电泳领域开展了一系列工作，在开展微流控芯片研究后，这一方面的积累被迅速移植到芯片筛分电泳中，并很快地被应用到临床实际样...

微分离技术（一）早期的微流控芯片，在某种意义上来说就是一种微分离器件，电泳则是芯片微分离中采用最普遍的一种形式。实际上微流控芯片实验室研究工作就是从芯片电泳开始的，它的最早一轮应用，也是在芯片电泳上展开的。以电泳分离为主体的分离技术已经成为微流控芯片实验室中发展最快，成熟度最高的一类技术单元，在整个芯片平台技术的研究中占有特殊的地位。7.1 概述与传统的单一分离模式相比，微流控芯片电泳分离技...

微混合和微反应技术（四）6.10 免疫反应由抗原、抗体或半抗原参加的反应称为免疫反应。现阶段最常用的免疫反应检测方法是96孔板法。96孔板免疫检测的基本过程如图6-55所示。图6-55 96孔板免疫检测的基本过程示意图在微流控芯片上开展免疫反应具有如下的优势：(1) 反应体积可达到纳升至皮升级，适用于血液、尿液及其他复杂样品中痕量物质的分析；(2) 反应动力学过程快，反应时间短；(3) 实验...

微混合和微反应技术（三）6.8 微型生物反应器近年来，随着对微流控系统研究的深入，微流控芯片作为生物反应器的研究也越来越多。主要的应用对象有聚合酶链反应（PCR）、免疫反应、各类酶反应及DNA杂交反应等，本章将着重对PCR反应和免疫反应进行详细介绍。6.9 聚合酶链反应（PCR）聚合酶链反应（PCR）是一种在体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术，1985年由美国Mullis等人发明。它是...

微混合和微反应技术（二）6.5 微反应和微反应器微反应技术是一种将微结构内在的优势应用到反应过程的技术，体现这种技术的设备或器件被称为微反应器。微反应器是一种单元反应界面尺度为微米量级的微型反应系统。它的基本特征是：线性尺寸小、物理量梯度高、表面积／体积比大、流动为低雷诺数层流。微反应的这些特征使之有可能通过并行单元来实现柔性生产、规模放大、快速和高通量筛选等。6.6 微反应器分类 微反应器...

微混合和微反应技术（一）反应是化学和生物实验室中十分重要的单元操作，混合通常被认为是反应物在反应前接触的必经过程。虽然整体而言，微米尺寸远大于分子平均自由程，连续性方程等物理定律仍然有效，但相对于宏观尺度，作为微流控芯片重要组成部分的微混合器和微反应器，及相应的微技术仍有某种特殊性，特别是由此形成的快速、高效、易于控制和易于集成的特点，足以引起更多的关注。在本章的相关部分中，将分别就微流控芯...

进样和样品预处理技术（三）5.5 过滤过滤（filtration）是一种用于除去液态样品中颗粒状干扰物的预处理手段。若以导管模式将液态样品引入芯片中，仅需在样品源和芯片间加入一个滤头即可对样品实施过滤预处理操作。若以储液池模式将液态样品引入芯片中，则需在芯片上集成过滤装置。在储液池内加工出微柱阵列就可以实现这种集成化的过滤装置[29]，如图5-21所示。图5-21 芯片过滤展示(a) 集成在...

进样和样品预处理技术（二）5.2 气/固态样品进样芯片实验室因其集成各种单元技术的本质属性而被认为有望实现常规的生物或化学实验室的各种功能，原则上它应当能够处理常规实验室可处理的气固样品，虽然目前尚不是主流。此处将各举一例，分别对气体和固体样品的进样予以简略说明。气体是无固定体积的流体，不能存储在芯片储液池内，只能由外部导管引入芯片。气体进样要求导管与芯片间接口的气密性好。对于气体辅助的芯片...

进样和样品预处理技术（一）按照芯片实验室工作的一般流程，进样和样品预处理是首当其冲的两个环节，它们将原始样品送入系统转换为适于运行的形式，并保证最终样品处理结果的质量和可靠性。从芯片实验室概念提出至今，已经累积了一整套进样和样品预处理技术，它们是芯片实验室发展的重要基础。进样利用芯片平台处理样品，首先需要将样品引入芯片的样品处理通道或通道网络，该步骤通常称为进样（sample loading...

微流体驱动与控制技术（二）4.3 非机械驱动4.3.1 电渗驱动非机械驱动指的是系统本身没有活动机械部件的一种驱动方式，电渗驱动是非机械驱动的重要形式之一，也是当前微流控芯片中应用最为广泛的一种流体驱动方式。与压力驱动相比，电渗驱动的优势包括系统构架简单、操作方便、流型扁平、无脉动等。但电渗驱动易受外加电场强度、通道表面、微流体性质及传热效率等因素的影响，稳定性相对较差，而且这种驱动方式仅适...

微流体驱动与控制技术（一）微流控芯片的基本要点之一就是对微尺度下的流体进行操作和控制，而作为操作和控制对象的流体量又极其微小，物质的很多表现形式和常量物质有所不同，因此要求有相应的微流体驱动与控制技术。4.1 微流体驱动在芯片实验室中，流体驱动方式一般可分为两类（图4-1）：一类是机械驱动方式，包括气动微泵、压电微泵、往复式微泵等各种微泵驱动和离心力驱动，主要利用自身机械部件的运动来达到驱动...

表面改性技术（三）3.4 固化型聚合物芯片的表面改性固化型聚合物的分子是体型结构，在受热时也发生软化，可以塑制成一定的形状，但受热到一定的程度或加入少量固化剂后，就硬化定型，此后再加热也不会变软和改变形状。聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片是最主要的固化型聚合物芯片，也是目前研究最多，使用最广泛的一类芯片。透气和弹性是PDMS芯片两个最主要的特征。PDMS的透气性使得在芯片上集成细胞培养以及研究...

表面改性技术（二）3.3 热塑性聚合物芯片的表面改性热塑性聚合物的分子是线型结构，在受热时发生软化或熔化，可塑制成一定的形状，冷却后又变硬。在受热到一定程度又重新软化，冷却后再变硬，这种过程能够反复进行多次。热塑性聚合物芯片的种类很多，目前，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）在微流控芯片领域使用相对较多。热塑性聚合物芯片的物理性质...

表面改性技术（一）在微流控芯片中，由于比表面积比较大，表面性质显得尤为重要。未经处理的芯片表面性质单一，不能满足多种实验需求，因此在很多场合必须对芯片表面进行改性处理，以达到预期目的。与毛细管电泳相比，微流控芯片的表面改性技术更具有挑战性，也要困难得多。本章从常见的微流控芯片材料出发，分别介绍与玻璃和石英芯片、热塑性聚合物芯片以及固化型聚合物芯片相对应的一些表面改性技术。3.1 表面改性技术...

芯片材料与芯片制作技术（三）2.8 高分子聚合物芯片的打孔方法高分子聚合物芯片的打孔方法主要有三种。一是钻孔法，用有机高分子聚合物板材做芯片时，此法打孔简单、快速，用高质量的金属钻头即可打出周边光滑平整的孔；二是模具法，此法适用于注塑法和模塑法生产的芯片，即在芯片模具制造过程中将孔径一定的圆柱安放在模具的相应位置上，这样生产出来的芯片就拥有大小一样、周边光滑平整的孔，此法制得的孔质量最好[2...

芯片材料与芯片制作技术（二）2.4 硅、玻璃和石英芯片的打孔方法玻璃类芯片的打孔方法包括金刚石打孔法[3]，超声波打孔法[4]和激光打孔法等。金刚石打孔法设备简单，打孔速度快，但钻头质量对打孔质量影响很大；超声波打孔法见图2-11所示，因为有超声波震动的关系，所钻出的孔边缘光滑、整齐，最小孔径一般在200 μm左右，玻璃表面无损和裂痕，对后续的封接过程没有影响，但封接前必须对玻璃表面进行严格...

芯片材料与芯片制作技术（一）芯片是微流控芯片实验室的核心，微流控芯片的研究涉及到芯片的材料、尺寸、设计、加工和表面修饰等。了解芯片制备的全过程，体会芯片设计的重要性，是微流控芯片研究工作的基础。未来芯片实验室领域的竞争首先将是芯片设计和制造的竞争。2.1 常用微流控芯片材料与性能在微流控芯片研制过程中，首先要考虑芯片材料的选取。芯片材料的选取原则大体有下述几点：1）芯片材料与芯片实验室的工作...

绪    论（三）1.6 应用领域在现阶段，微流控芯片既是一门科学，又是一种技术。无论是科学还是技术，它最终的出口是应用。理论上讲，微流控芯片可以应用于任何涉及到流体的学科，其中最直接的应当是化学、生物学和医学，与此同时，它的第二波影响力已经渗透到了一些传统观念中不太涉及流体的学科，譬如光学和信息学。所有这些学科都将直面社会各行各业的实际需求，已经涉及的领域包括疾病诊断、药物筛选、环境检测、...