微流控技术汇总课件

1、2015年年4月月1日日微流控合成条件选择微流控合成条件选择 催化剂制备和表征催化剂制备和表征选修课程：选修课程：XXXX 教授教授指导教师：指导教师： 汇汇 报报 人：人： XXXXXX学号：学号：s20140500X2015年年4月月1日日2表面改性技术表面改性技术液滴技术液滴技术微混合与微反应技术微混合与微反应技术微流体驱动与控制技术微流体驱动与控制技术微反应器设计及制作微反应器设计及制作微流控合成条件选择微流控合成条件选择2015年年4月月1日日3微反应器设计及制作微反应器设计及制作微反应器的种类微反应器的种类微反应器微反应器微化学反微化学反应器应器均相反应器均相反应器非均相反应器非均

2、相反应器微生物反微生物反应器应器生物大分子反生物大分子反应方向应方向1 1、按反应类型分：、按反应类型分：2015年年4月月1日日42、按载体形式分：、按载体形式分：1）芯）芯片微反应器片微反应器2）毛）毛细管微反应器细管微反应器 13）特）特殊形状的特制微反应器殊形状的特制微反应器（1）（2）（3）2015年年4月月1日日 常用的芯片材料有：常用的芯片材料有： 单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物 如如PMMA、PDMS、PC以及水凝胶以及水凝胶 优点：优点： 良好的生化相容性、光学性能，表面具有良好的可修饰良好的生化相容性、光学性能，表面具有良好的可修饰性。下表

3、为常见芯片制作材料的基本性能。性。下表为常见芯片制作材料的基本性能。 微反应器制作材料微反应器制作材料微反应器设计及制作微反应器设计及制作52015年年4月月1日日微反应器设计及制作微反应器设计及制作62015年年4月月1日日 玻璃等芯片制作的主要步骤包括：玻璃等芯片制作的主要步骤包括： 涂胶、曝光、显影、腐蚀、去胶、键合。涂胶、曝光、显影、腐蚀、去胶、键合。 高分子聚合物芯片的制作技术主要包括：高分子聚合物芯片的制作技术主要包括： 热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、LIGA法和软法和软刻蚀法等。刻蚀法等。 芯片制作芯片制作微反应器设计及制作微反应器设计及

4、制作72015年年4月月1日日表面改性技术表面改性技术 微流控芯片中比表面积大，表面效应显著，表面重要性被微流控芯片中比表面积大，表面效应显著，表面重要性被强化。强化。 微流控芯片材质多样，增加了芯片表面的复杂性。微流控芯片材质多样，增加了芯片表面的复杂性。 微流控芯片中的芯片分离、反应和细胞培养等单元技术对微流控芯片中的芯片分离、反应和细胞培养等单元技术对表面性质的需求不同。表面性质的需求不同。 为什么要表面改性为什么要表面改性 减小表面非特异性作用减小表面非特异性作用 增强表面特异性作用增强表面特异性作用 提高表面稳定性提高表面稳定性 改性目的改性目的82015年年4月月1日日 表面改性的

5、方法分类表面改性的方法分类表面改性技术表面改性技术表面改性表面改性方法方法静态改性静态改性硅烷化硅烷化聚合诱导聚合诱导接枝接枝本体掺杂本体掺杂共价偶联共价偶联动态改性动态改性92015年年4月月1日日 常见流体驱动技术分常见流体驱动技术分类类22微流体驱动与控制技术微流体驱动与控制技术流动驱动技术流动驱动技术机械力驱动机械力驱动（系统自身机械部件的运动来驱（系统自身机械部件的运动来驱动流体）动流体）气动气动微泵微泵离心离心力驱力驱动动压电压电微泵微泵非机械力驱动非机械力驱动（系统本身没有活动的机械（系统本身没有活动的机械部件）部件）电渗电渗驱动驱动热气热气驱动驱动光学捕光学捕获驱动获驱动102

6、015年年4月月1日日1 1、机械驱动包括：、机械驱动包括：离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱动。离心力驱动，气动微泵驱动，压电微泵驱动。微流体驱动与控制技术微流体驱动与控制技术压电微泵驱动压电微泵驱动 向压电双晶片施加方波信向压电双晶片施加方波信号时号时, ,压电双晶片在电场压电双晶片在电场的作用下发生周期性弯曲的作用下发生周期性弯曲变形变形, ,进而驱动进而驱动PDMS泵膜泵膜改变腔体的容积。当压电改变腔体的容积。当压电双晶片带动泵膜向上移动双晶片带动泵膜向上移动时时, ,泵腔体积增大泵腔体积增大, ,腔内流腔内流体的压强减小体的压强减小, ,使入口阀使入口阀打开打开, ,同时出口阀关闭

7、同时出口阀关闭, ,流流体在压差的作用下流入泵体在压差的作用下流入泵腔。腔。 112015年年4月月1日日2 2、非机械驱动包括：、非机械驱动包括：电渗驱动、热气微泵驱动、光学捕获微泵电渗驱动、热气微泵驱动、光学捕获微泵 电渗驱动：电渗驱动：电渗驱动是当前微流控芯片中应用最广泛的一种流体驱动技术。电渗驱动是当前微流控芯片中应用最广泛的一种流体驱动技术。微流体驱动与控制技术微流体驱动与控制技术12优势：优势：构架简单、操作方便、流行扁构架简单、操作方便、流行扁平、无脉动等。平、无脉动等。劣势：劣势：易受外加电场强度、通道表面、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微流体性质及传热

8、效率等因素影响，稳定性相对较差。影响，稳定性相对较差。2015年年4月月1日日 微流体控制是微流控芯片实验室的操作核心，在微流控芯片实验室所涉及的进样、混合、反应、分离、检测等过程都是在可控流体可控流体的运动中完成的。微流体控制主要包括电电渗控制渗控制和微阀控制微阀控制。微流体驱动与控制技术微流体驱动与控制技术 微流体控制微流体控制132015年年4月月1日日 微阀控制微阀控制 特征特征：低泄露、低功耗、速度快、线性范围广、适应面广 举例举例：双晶片单向阀 原理图微流体驱动与控制技术微流体驱动与控制技术142015年年4月月1日日微混合和微反应技术微混合和微反应技术1、微混合、微混合 由于一般

9、微流控装置流体状态以层流层流为主，因此微流控的微混合主要依靠扩散扩散提高层流条件下混合效率的主要原则为：提高层流条件下混合效率的主要原则为： 拉伸或折叠流体以增大流体的接触面积；拉伸或折叠流体以增大流体的接触面积； 利用分散混合设计，通过管路几何交叉设计将大的液流拆利用分散混合设计，通过管路几何交叉设计将大的液流拆分并重新组合，从而减小液流厚度，实现更有效混合。分并重新组合，从而减小液流厚度，实现更有效混合。152015年年4月月1日日微混合器的分类汇总微混合器的分类汇总33微混合和微反应技术微混合和微反应技术微混合器微混合器被动式被动式并行叠片并行叠片串联叠片串联叠片混沌对流混沌对流液滴液滴

10、主动式主动式磁力搅拌型磁力搅拌型声场促进型声场促进型电场促进型电场促进型其他类型其他类型162015年年4月月1日日17微混合和微反应技术微混合和微反应技术2015年年4月月1日日液滴技术液滴技术18一种在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作一种在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴的微纳用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴的微纳技术。它是近年来发展起来的一种全新的操纵微小液体体积的技技术。它是近年来发展起来的一种全新的操纵微小液体体积的技术术3。主要有气。主要有气-液相液滴和液液相液滴和液-液相液滴两

11、种。气液相液滴两种。气-液相液滴由于液相液滴由于容易在微通道中挥发和造成交叉污染而限制了其应用。液容易在微通道中挥发和造成交叉污染而限制了其应用。液-液相液液相液滴根据连续相和分散相的不同又分为水包油滴根据连续相和分散相的不同又分为水包油( O/W) ，油包水，油包水( W/O) ，油包水包油，油包水包油( O/W/O) 以及水包油包水以及水包油包水( W/O/W) 等，可以等，可以克服液滴挥发、交叉污染等缺点，因而是微流控液滴技术发展的克服液滴挥发、交叉污染等缺点，因而是微流控液滴技术发展的侧重所在。侧重所在。2015年年4月月1日日19液滴技术液滴技术液滴技术液滴技术微液滴生成微液滴生成水

12、动力法水动力法气动力法气动力法光控法光控法电动法电动法微液滴操控微液滴操控微液滴裂分微液滴裂分微液滴融合微液滴融合混合混合微液滴分选微液滴分选微液滴捕获微液滴捕获水动力法水动力法T T型通道法型通道法流动聚焦法流动聚焦法共流聚焦法共流聚焦法参考文献参考文献42015年年4月月1日日1、液滴的形成、液滴的形成 水溶液和油同时从不同的微通道中流出，当通道水溶液和油同时从不同的微通道中流出，当通道疏水时，油浸润通道，包裹水溶液形成油包水疏水时，油浸润通道，包裹水溶液形成油包水（W/O）型液滴；若通道亲水，过程相反，形成水包油（）型液滴；若通道亲水，过程相反，形成水包油（O/W）型液滴。）型液滴。液滴

13、技术液滴技术202015年年4月月1日日2、液滴的优点、液滴的优点1）体积小）体积小 所需样品微量，适合高通量筛选反应和某些样品来源有限所需样品微量，适合高通量筛选反应和某些样品来源有限的反应的反应2）样品无扩散）样品无扩散 液滴技术液滴技术212015年年4月月1日日3）反应条件稳定）反应条件稳定 除了消除样品分子的扩散之外，水分子的蒸发也因油相的除了消除样品分子的扩散之外，水分子的蒸发也因油相的包围而受到抑制，液滴内的反应条件几乎不受外界影响包围而受到抑制，液滴内的反应条件几乎不受外界影响4）样品间的交叉污染得以避免）样品间的交叉污染得以避免 液滴技术液滴技术222015年年4月月1日日5

14、）混合迅速）混合迅速液滴在通道中运动时，在液滴内部将以运动方向为液滴在通道中运动时，在液滴内部将以运动方向为轴，形成两个循环回流。轴，形成两个循环回流。液滴技术液滴技术232015年年4月月1日日3、液滴的操控技术、液滴的操控技术1）反应物的引入）反应物的引入A、直接进样、直接进样 当反应比较简单时，可用注射泵直接将反应物包入液当反应比较简单时，可用注射泵直接将反应物包入液滴。滴。液滴技术液滴技术242015年年4月月1日日B、毛细管进样、毛细管进样 高通量筛选需不断改变液滴的组成和浓度，为实现此目标高通量筛选需不断改变液滴的组成和浓度，为实现此目标，可将不同的待测样品预先吸入毛细管中，形成一

15、系列体，可将不同的待测样品预先吸入毛细管中，形成一系列体积较大的液滴，然后将该毛细管与微流控芯片连接在注射积较大的液滴，然后将该毛细管与微流控芯片连接在注射泵的推动下与反应物形成小液滴并开始反应。泵的推动下与反应物形成小液滴并开始反应。液滴技术液滴技术252015年年4月月1日日2）液滴的融合和分裂）液滴的融合和分裂A、液滴融合、液滴融合 两种液滴融合的思路：现在芯片的不同位置平行的形成不两种液滴融合的思路：现在芯片的不同位置平行的形成不同的液滴，控制好各液滴生成的速度，在芯片特定的位置同的液滴，控制好各液滴生成的速度，在芯片特定的位置汇合，在表面张力或静电力的作用下，两液滴融合。汇合，在表面

16、张力或静电力的作用下，两液滴融合。液滴技术液滴技术262015年年4月月1日日B、液滴的分裂、液滴的分裂液滴分裂主要依靠通道结构实现液滴分裂主要依靠通道结构实现液滴技术液滴技术272015年年4月月1日日28C、液滴的捕获、液滴的捕获5,6 在没有通电时，液滴会沿着主通道流向下游在没有通电时，液滴会沿着主通道流向下游; 通电时，液滴会通电时，液滴会产生极化现象，在介电电泳力的作用下液滴被捕获到微孔中产生极化现象，在介电电泳力的作用下液滴被捕获到微孔中注意：注意：ITO 铟锡氧化物铟锡氧化物In2O3 - SnO2它们的氧化物它们的氧化物具有半导体特具有半导体特点点,通常用它们通常用它们做成膜电

17、极做成膜电极.2015年年4月月1日日4、液滴的应用、液滴的应用 随着液滴技术的发展成熟，对液滴的研究逐步转向应用，比较成功的例子包括：蛋白质结晶研究蛋白质结晶研究、酶分析、细胞分析、酶分析、细胞分析、材材料制备料制备和复杂过程模拟和复杂过程模拟等。29液滴技术液滴技术2015年年4月月1日日30参考文献参考文献1张东堂张东堂,程昌程昌,汪夏燕汪夏燕,夏定国夏定国. 微流控法合成石墨烯负载的微流控法合成石墨烯负载的PtNi燃料电池阴极催化剂及其性燃料电池阴极催化剂及其性能能J. 过程工程学报过程工程学报,2013,04:698-702.2游炜臻游炜臻. 玻璃基微流控芯片电渗泵玻璃基微流控芯片电渗泵D.厦门大学厦门大学,2009.3朱丽朱丽,侯丽雅侯丽雅,章维一章维一. 微混合器研究进展微混合器研究进展J. 微纳