[信息与通信]7微流控分析系统.ppt

微芯片分析系统,微流控分析系统,二十一世纪分析仪器发展的总趋势,微型化 Miniaturization自动化 Automation集成化 Integration便携化 Portable,微全分析系统(Micro-TAS)或称芯片化验室(Lab-on-a-Chip)是近十年发展起来的现代分析科学的前沿领域目标：借助微机电加工（MEMS）技术与生物技术实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化。,微流控分析芯片Microfluidic Chips微型全分析系统(TAS)或芯片实验室(LabChip)的主要组成部分和发展前沿,微流控分析芯片的特点,网络结构分析功能齐全分离测定速度快-传热和传质与d2成反比。-通道短，场强高，分离快。试样与试剂消耗已降低到数微升水平分析成本低,环境污染少层流流动，易于控制与利用-雷诺数与 d 成正比，为1-200，大大低于湍流 2000 限值。易制成功能齐全的便携式仪器，可用于各类现场分析.,散热性能与结构尺寸的关系,T=Qd2/16KT，温差；Q，单位体积发热量；d,结构内径；K,介质导热系数,分子扩散时间与通道尺寸的关系,球形粒子，分子扩散通过 L 距离所需时间T 为：T=L2/DD 为扩散系数 D=RT/(3Nd)R=8.31107，N=6.021023，T 绝对温度，粘度，d 粒子直径 H+扩散10 m需10 ms；扩散1 cm，则需2.8 h。较大的病毒TMV分子（300 nm）扩散10 m需20 s；但如扩散1 cm，则需230天！,微全分析系统的主要组成部分,进样系统,检测系统,数据处理,处理系统,反应系统,分离系统,读出系统,微流控芯片具备的功能,分液色谱分离电泳分离过滤检测蒸发细胞分拣,采样稀释加试剂混合萃取渗析反应,Caliper LabChip 1996,Caliper LabChip 1998,微流控分析芯片Microfluidic Chips,十字、双T形通道进样器及简单操作过程,夹流进样法的操作过程,Sample introduction and separation on a microchip,微混合器 稀释,加试剂,混合,层流和扩散,与常规流动分析系统相比，微流控分析系统通道尺度的减小，带来的一个主要变化是在微通道内的流体易形成层流的流动状态，这一特点也是目前微流控系统与宏观系统相比的主要特殊性之一。,微流控芯片中流动形态,在微流控芯片中，通道深仅为数十至数百微米。在10 m深的通道中，对100 m/s流速的水，其Re值约为10-3。因此低流速下，在微米尺寸的管道中，稀溶液的雷诺数远小于1，流体总是表现为稳定的层流状态。可以互溶的液体，在微通道中也不会因对流而混合。这时，两束流动的流体在通道中可以平行流动，形成不相混合的两相。,通常Re2000时，液体流动表现为层流；Re4000时，液体流动表现为湍流；2000 Re4000时为过渡流，属不稳定流,利用雷诺数Re的数值大小可以判断流体的流动形态,为液体的密度；为流速；dc为管径；为流体的粘度,微流控芯片中的分子扩散,流体中的溶质和不溶性微粒可通过分子扩散在两相之间转移。对于球形粒子,R为理想气体常数；N为阿佛加德罗常数；T为绝对温度；为溶剂的粘度；dp为粒子直径。,扩散系数D,分子扩散通过L距离所需的扩散时间,微流控芯片中的分子扩散的特点,可根据微粒子大小不同，扩散系数的不同，实现小分子、离子与大分子及微粒之间的分离。例如室温下，稀溶液中，分子量为330的小分子,直径为0.5 nm,扩散经过10 m时需0.2 s，而直径为0.5 m的大分子，扩散经过同样的距离需200 s。在微流控芯片中，由于扩散距离短，可实现高速分离。如扩散系数D为710-7 cm2/s的血红素蛋白质，扩散过1 cm距离需106 s（10天），而通过10 m距离则仅需1 s。,Micronics H-Filter TM-Micro separation and extraction device,Particle separation by size and molecular weightRemoval of large particles from solutionBlood cell removalArtificial kidney,集成多相层流分离和钾离子选择电极检测的微流控芯片,在微流控芯片上进行Claisen缩合反应苯甲醛和丙酮为原料合成苄叉丙酮,相转移催化反应已广泛应用于提高烷基化反应、亲核取代、消除、缩合、加成、偶联、霍夫曼降解等反应的反应速度。以往相转移催化反应在玻璃容器内反应，反应物和产物在两相间的传质主要通过搅拌来实现,用其他方法来提高水相和有机相的接触面积，从而提高相转移反应速率和转化率尚稀见报道。,由于微流动反应器中微通道宽度和深度比较小，一般为几十到几百微米，它具有常规玻璃反应容器所没有的特点，如短的分子扩散距离，大的比表面积，小的热容量等等,有利于高效的传质和传热,同时可以避免在常规的玻璃容器里反应物的混合不均匀而引起副反应和局部过热等缺点,因此自1997年H.SalimiMoosavi发表了首篇在微流动反应器中合成化合物的文献后，微流动反应器已成功地用于多种有机反应，并展示了广泛的应用前景。,用注射泵在A口加入苯甲醛、丙酮和乙醇的混合溶液，在B口加入0.5mol/L氢氧化钠，在C口收集产品并用乙醚萃取后，用GCMS分析测试不同条件下苯甲醛的转化率,芯片有比较大的比表面积，一般为1000050000m2/m3，而传统的玻璃容器需搅拌来提高接触面积。芯片上大的比表面积和相接触表面积，使反应时间缩短，增加了转化率。,反应时间对转化率的影响,不同直径微管道中的流型,流速对转化率的影响,芯片毛细管电泳,微流程控芯片和高压电源、光学或电化学检测器等组合在一起,形成芯片毛细管电泳分离分析系统,微流控芯片毛细管电泳系统,试样,激光光源,检测器,芯片毛细管电泳的特点,l以电场作为流体的驱动力，通过调节场强的大小、方向可方便地实现小体积（pLnL）进样、分离等操作,符合微型化、集成化、自动化的发展要求。l由于玻璃等芯片具有较好的散热性能，电泳分离时产生的焦耳热能得到有效的散发，因此可以在通道中施加常规毛细管电泳难以达到的高场强（如2500 V/cm），结合小体积进样的功能，实现高速、高效（106塔板数/秒）的分离。,Your Lab just gotFaster!Smarter!Smaller!,Agilent 2100 Bioanalyzer,Agilent 2100 Bioanalyzer,Caliper DNA LabChip,芯片毛细管电泳,氨基酸分离结果记录图,X174-Hae DNA digest（2.5g/ml）聚碳酸酯芯片CE-LIF，通道宽110m,长 5.5 cm,分离条件：筛分介质 2%HPMC,pH 8.2,场强145.5 V/cm,分离距离 3 cm,分离的重现性,芯片毛细管电色谱,毛细管电色谱是在毛细管中填充或在毛细管内壁中涂渍、键合色谱固定相，利用电渗流或电渗流结合压力流推动流动相，根据组分在固定相和流动相间分配系数的不同及电泳速率的差异使试样中各组分得以分离的一种微柱液相色谱法。,芯片毛细管电色谱的特点,以平头流型的电渗流代替了普通色谱的抛物线型压力流，因而具有高柱效特点使用固定相，又具有HPLC高选择性的特点。因此它既能分离带电物质又能分离中性物质。,芯片毛细管电色谱柱的制备,横向过滤的微加工过滤器,微流控芯片中的萃取分离,影响萃取效率的主要因素,扩散距离 在微流控萃取中，萃取时间即为扩散时间。扩散距离愈小，扩散时间愈短，即萃取愈快。反应速度 要求亲水性待测组分能在两相界面快速地转化为疏水性物质而进入有机相。流速 当流速较慢或停流时，金属离子可有效地从水相被萃取进入有机相。比表面大小 比表面越大，萃取速度越快，效率越高。,D=Co/CaqCo=D Caq在层流萃取中,由于Caq不断下降,使Co 有一定的限度.,Liquid-liquid extraction by trapped droplet approach,Microcavity dimensions:15010025 m(400 pL)Extraction system:water-hexanolSample:butyl rhodamine BDrive:gravityDetection system:laser induced florescence(=488nm),Extraction process,Extraction time:1520 min Concentration factor:5002000 Sample consumption:7.5 L RSD:7.4%(n=3)Linear range:107 8107M,渗析分离/,渗析也称透析，是离子或小分子从半透膜的一侧液相转入另一侧液相主要是用于诸如蛋白质、激素以及酶这一类物质的浓缩、脱盐和纯化。起到区分作用的是选择性薄膜相转移的推动力是膜两侧中组分的浓度梯度。传统的渗析方法通常需数小时甚至数十小时才能达到膜两侧溶液中离子或分子的平衡，而且所需试样用量大，对于量小的生物试样处理尤为困难。,微渗析芯片分离具有如下特点,渗析速度快、效率高 试样消耗量少 在密闭的系统中进行可降低试样的污染 在复杂生物试样分析时，经芯片微渗析分离后，不仅可消除来自小分子量组分如盐的干扰，同时也可消除来自大分子量组分的干扰。,试样的两次渗析,微流控芯片毛细管电泳系统,试样,激光光源,检测器,对微流控系统的检测器的要求,更高的灵敏度和信噪比更快的响应速度 特殊的结构 多重平行检测功能 适于便携 低成本,微流控光学检测器微型化集成化的主要技术途径,半导体激光器发光二极管光电二极管及雪崩二极管光纤技术波导技术MEMS 技术,芯片上的液芯波导技术,采用芯片上涂布Teflon AF的方法建立液芯波导(Liquid core waveguide,LCW)系统.Teflon AF 为含氟共聚合高分子材料，其折光系数（RI)在 1.29-1.31(D542)间，小于水。在各种管状透明材料外壁上涂布Teflon AF均可制 成性能良好的液芯波导管。透光性能良好,可透过紫外线。其化学性质稳定，3600 C 以下热稳定性好。透气性能良好。,基于液芯波导原理的诱导荧光检测装置示意图,光纤,LED,液芯波导管,芯片上的微吸收池及光路示意图,具有多重反射吸收池的芯片结构示意图,电化学检测器,安培检测器安培检测法根据待测物在恒（或脉冲）电位工作电极上发生电化学反应时所产生的氧化电流或还原电流对待测物进行定量的检测方法，它的灵敏度接近激光诱导荧光法，且有一定的选择性。,电导检测器 电导检测器是根据带电组份对溶液电导率的贡献而进行检测的。它不象安培法要求待测组份在电极上具有电化学活性。只要是离子型组份都能检测。因此，电导检测器是一种通用型检测器，尤其适于无机离子、氨基酸等小分子离子的检测.,电容偶合非接触型电导检测的毛细管电泳芯片,电位检测器,微流控芯片的应用,96-channel radial capillary array electrophoresis microplate,Y.Shi et al.Anal.Chem.,1999,71,5354,384-lane Micro Capillary Array Elelectrophoresis chip,PCR原理示意图,常规PCR仪的不足之处,消耗生化试剂多。加热和冷却速度慢。容易汽溶胶，易发生交叉污染。操作繁琐，不易实现自动化。,连续流动进样微流控芯片PCR反应装置,连续流动进样微流控芯片PCR原理图,三温区控制系统的研制,20 循环 PCR 芯片设计图,PCR芯片实物图,连续流动微流控PCR芯片的优点,大大节省生化试剂可实现在线检测，自动化程序高分析速度大大提高能克服气溶胶，不易产生交叉污染,引言,单细胞分析对重大疾病早期诊断、治疗、药物筛选和细胞生理、病理过程的研究有重要意义。毛细管电泳用于单细胞多组分的测定，已取得一些成果，但受毛细管的一维结构限制，单细胞进样和溶膜操作较复杂。微流控分析芯片的网络结构和微米级的通道尺寸使简化单细胞分析成为可能。但目前的报道主要集中在细胞培养、计数和筛选。本文以人血红细胞为对象，研究了在微流控芯片上利用液压结合电控技术进行单个细胞引入和细胞在微通道中的停留、贴壁现象，用电泳缓冲液结合高电场实现细胞快速溶膜。,单细胞分析用的微流控分析芯片,其中，S-SW 为进样通道，B-BW为分离通道。通道宽75 m，深12 m。通道两端钻有2 mm直径的小孔，并用环氧树脂粘合直径4 mm高6 mm的微量移液管头作为储液池。,将电泳缓冲液（20 mM 硼砂NaOH，pH=9.2）50 L，50 L，20 L分别加入储液池B、SW、BW，将红细胞悬液100 L加入储液池S。,细胞进样,细胞贴壁及溶膜,当某单个细胞通过交叉区域时，施加如图所示的一组电压，控制电源开关使这组电压反复通、断23次，每次间隔1s。单细胞流速降低直至沉降于通道底部并贴壁,然后，施加如左图所示的电压1秒钟，细胞迅速溶膜，关闭电源。将检测点移至图1所示的位置，再次施加上述电压，进行电泳分离。,细胞的溶膜和分离,Single cell loading,docking and lysis,细胞在25 ms 内溶膜,荧光试剂与荧光探针,用加入某种试剂的方法将非荧光物质转化为荧光物质来进行分析，这种试剂叫荧光试剂。,NDA是一种常用的荧光试剂，本身不发荧光，在亲核试剂（CN-）参与下与一级胺类物质生成较稳定的强荧光产物（多用于氨基酸），反应式见下式，激发波长 420 nm，发射波长 490 nm。,NDA可以与谷胱甘肽（GSH）生成强荧光物质，而无需亲核试剂（CN-）的参与，激发波长 472 nm，发射波长 528 nm,Conventional DNA Probes,FeaturesMust remove unhybridized probesHybrids Immobilized on a solid surface,DisadvantagesNot good for real-time monitoring of DNA synthesis,or in living cellsLimited use in homogeneous solutionsLimited sensitivity,Novel DNA Probes:Introduction,Hairpin structure-Loop:complementary to a target DNA-Stem:5-7 base pairsFluorophoreQuencher,Complementary base pairing:GC,AT,Molecular Beacons:Principles,“Closed”form:MB onlyDark due to quenching,“Open”form:MB-target hybrid Fluoresces,Xiaohong Fang,et al.,Analytical Chemistry,2000,747A-753A,