第一讲、绪论 P1

• 基本概念及相关称谓 P1
• 起源和发展 P1-5
• 基本特征 P6
• 应用领域 P9

第二讲、芯片制作及微流体控制 P11

• 芯片材料 P12
• 芯片制作环境 P12
• 硅、玻璃及石英芯片制作 P13
• 高分子聚合物芯片制作 P16
• 微流体驱动 P18
• 微流体控制 P20

第三讲、微混合与微反应技术 P21

• 微混合与微混合器 P21
• 被动式微混合器 P22
• 主动式微混合器 P24
• 微反应与微反应器 P25
• 微化学反应器 P25
• 微生物反应器 P27

第四讲、微分离技术 P29

• 电泳基本原理 P29
• 芯片电泳进样模式 P31
• 芯片电泳分离模式 P32
• 样品前处理及富集 P34
• 芯片表面修饰 P36

第五讲、检测技术 P39

• 微流控芯片对检测的特殊要求 P39
• 微流控芯片检测分类 P40
• 光学检测技术 P40
• 电化学检测技术 P43
• 质谱检测技术 P45
• 其他检测技术 P46

第六讲、液滴微流控技术 P49

• 液滴的形成 P49
• 液滴的优点 P50
• 液滴操控技术 P50
• 液滴表面处理 P54
• 液滴的应用 P54

第七讲、核酸研究 P59

• 基本概念 P59
• PCR芯片 P60
• DNA测序 P64
• 基因芯片 P66
• 常见应用 P67

第八讲、蛋白质研究 P71

• 基本概念 P71
• 蛋白质分离分析 P72
• 常见应用 P78

第九讲、代谢小分子研究 P82

• 离子 P82
• 手性分子 P85
• 代谢物 P86

第十讲、细胞生物学研究 P89

• 相关概念 P89
• 操作单元技术 P90
• 常见应用 P97

第十一讲、模式生物研究 P99

• 常见模式生物 P99
• 线虫生物学研究应用 P100
• 其它生物学研究应用 P104

第十二讲、生物芯片实例分析

生物芯片BioChip

绪论

基本概念及相关称谓

生物芯片，广义上指芯片技术在生物学、医学及相关领域的应用。

Chip	芯片
BioMEMS	生物微机电系统
Microfluidic Chip	微流控芯片
Lab-on-a-Chip	芯片实验室
μTAS	微全分析系统
Microarray	微阵列芯片
Biochip	生物芯片
Biosensor	生物传感器

基本特征

• 芯片实验室的基本特征：微型化、低消耗、高通量、自动化、低成本、高效率
• 微流体的基本特征：层流效应、扩散效应、电渗流、表面张力及毛细效应、快速热传导效应

应用领域

芯片实验室的应用领域主要包括生物学、医学、化学、光学、信息学。

• 生物学：分子生物学（核酸、蛋白质、代谢小分子）、细胞生物学、模式生物学
• 医学：临床诊断、药物筛选、医学成像

芯片制作及微流体控制

芯片材料

• 硅材料(Si)
• 玻璃石英(SiO₂ )
• 有机聚合物(PDMS、PMMA)

芯片制作环境

芯片制作主要在超净间(Clean Room)内完成。超净间亦称无尘室，是指将一定空间范围内空气中的微粒子、有害成分、细菌等污染物排除，并对室内温度、照明、压力、气流分布、静电等控制在某一需求范围内而特别设计的房间。

硅、玻璃及石英芯片制作

掩膜、光刻、刻蚀、打孔、封接

高分子聚合物芯片制作

芯片制作主要依靠MEMS微机电加工技术，其制作过程中常需要制作芯片模具，模具的材料可以是硅、玻璃或其它有机高分子聚合物。

微流体驱动

• 机械力驱动：气动微泵、压电微泵、离心力
• 非机械力驱动：电渗驱动、热气驱动、光学捕获驱动

微流体控制

微流体控制是微流控芯片实验室的操作核心，芯片实验室中所涉及的进样、混合、反应、分离、检测等过程都需在可控的流体中完成。

微混合与微反应技术

微混合与微混合器

• 混合：溶质混合的机理，一种为对流传质，另一种为扩散传质。
• 微混合：微混合具有快速、高效、易于控制和易于集成的特点。

被动式微混合器

被动式微混合器	流速	最快混合速度	优势	不足
并行叠片微混合器	μL	~10 μs	芯片设计简单；样品消耗量少；夹流方式混合速度快	混合完全依靠分子扩散
串联叠片微混合器	mL	~10 ms	3D并行叠片混合器的2D简化	样品消耗量大；混合速度较慢
混沌对流微混合器	mL	~11 μs	芯片设计样式多； 混合速度快	样品消耗量大
液滴微混合器	μL	~1 ms	样品消耗与混合速度折衷；易于其它芯片模块联用	混合速度较慢

主动式微混合器

• 磁力搅拌型、声场促进型、电场促进型、其它类型
• 微混合技术的特点：
  • 混合效率高，混合时间短，能耗少。
  • 易于控制，传质及传热性能好。
  • 设备结构简单，易于与其他功能单元集成。
• 主动式与被动式微混合器相比，被动式微混合器芯片制作相对简单，混合速度快。

微反应与微反应器

• 微反应技术：利用微结构优势并应用到反应过程的技术， 体现该技术的设备或器件被称为微反应器。
• 微反应器：一种单元反应界面尺寸微米量级的微型反应系统。
• 主要特征：线性尺寸小、物理量梯度高、表面积/体积比大、低雷诺数层流。

微化学反应器

• 按相分类
  • 均相反应器：反应体系中只存在一相的反应器，最常见的是液相反应器。
  • 非均相反应器：反应体系中存在着不止一个相的反应器，通常包括两相和三相。
    • 液-液非均相反应器
    • 气-液非均相反应器
    • 气-液-固多相反应器
• 按衍生与分离顺序分类
  • 柱前反应器
  • 柱后反应器
• 特殊微化学反应器
  • 电化学微反应器
  • 光化学微反应器
  • 氢燃料电池
• 高通量微反应器

微生物反应器

• 免疫反应：由抗原、抗体或半抗原参与的反应称为免疫反应。广义的免疫反应含机体对抗原产生免疫应答的全过程，包括抗原对机体的免疫诱导，免疫细胞间相互作用以及免疫效应物质介导的效应反应。
• 芯片免疫反应优势
  • 反应体系可达到nL甚至pL级，适用于血液、尿液及其他复杂样品中痕量物质的检测分析。
  • 反应速度快，反应时间短。
  • 实验设计更加灵活，检测手段更为丰富。
  • 可以集成多种不同单元，操作简单，易于实现高通 量监测分析，便于实现自动化、微型化。
• 芯片免疫反应类别
  • 均相免疫反应
    • 电泳分离
    • 扩散
  • 非均相免疫反应
    • 通道表面
    • 离子交换柱
    • 微珠：乳胶微珠、磁珠、聚苯乙烯微珠
    • 膜

微分离技术

电泳基本原理

• 定义：在外加直流电场的作用下，液体介质中的带电物质或细胞发生相对液体介质迁移的现象。
• 原理：不同分子或颗粒的形状、大小及所带电荷不同， 因而在电场介质中的迁移速率不同。经过一段时间的泳 动，彼此拉开距离，从而达到分离的目的。
• 聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)
• 毛细管电泳(CE)：以毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力的电泳分离分析法。
  • 电渗流(Electroosmotic Flow, EOF)
  • 电泳力(Electrophoretic Force)
• 毛细管电泳过程
• 毛细管电泳模式
• 芯片电泳的优势
  • 芯片载体材料丰富，有石英、玻璃、硅、多聚物等可供选择。
  • 各种分离模式均可在芯片电泳中实现，过程操作简单。
  • 可与芯片其它操作单元灵活组合，易于实现自动化、集成化、功能化。

芯片电泳进样模式

• 进样：将样品从外部宏观世界以可控的方式引入芯片微通道内部的过程。
• 单通道辅助进样
  • 电动进样
  • 压力进样
  • 压力电动进样
• 多通道辅助进样
• 激光辅助进样
• 液滴样品进样
• 连续样品进样

芯片电泳分离模式

• 一维分离
  • 自由溶液区带电泳(CZE)
  • 介质筛分电泳(CGE)
  • 电色谱(CEC)
  • 胶束电动色谱(MEKC)
  • 等电聚焦电泳(IEF)
  • 自由流电泳(FFE)
• 二级分离

样品前处理及富集

• 萃取(extraction)：利用物质在两相中保留行为的不同(分配比的不同)对该物质进行提取的一种样品预处理方法。
  • 液液萃取(liquid-liquid extraction)
  • 固相萃取(solid phase extraction, SPE)
• 芯片过滤：一种用于除去液态样品中颗粒状干扰物的预处理手段。
  • 微柱阵列是最常用的芯片过滤装置
• 芯片膜分离：采用选择性透过膜，借用外界能量(压力、离心力及电位差等)或化学位差(浓度差等)，实现大小分子在两侧的分离。
• 场放大堆积
• 等速电泳(isotachophoresis, ITP)：一种基于离子淌度差异的“移动边界”电泳技术。

芯片表面修饰

• 本体掺杂
• 动态改性
• 静态改性

检测技术

微流控芯片对检测的特殊要求

• 灵敏度高
• 响应速度快
• 体积小

微流控芯片检测分类

• 光学检测器
  • 荧光检测器
  • 吸收光谱检测器
  • 化学发光检测器
  • 其他光学检测器
• 电化学检测器
  • 安培检测器
  • 电导检测器
  • 电势检测器
• 质谱检测器
  • 电喷雾质谱检测器
  • MALDI质谱检测器
• 其他检测器
  • 等离子体发射光谱检测
  • 热透镜检测器
  • 各种传感器

光学检测技术

• 激光诱导荧光检测
• 紫外吸收光度检测
• 化学发光检测

电化学检测技术

• 安培检测
• 电导检测
• 电势检测
• 复合式电化学检测

质谱检测技术

• 原理：使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入组分的质量分析。
• 优势：能够提供试样组分中生物大分子的基本结构和定量信息，对涉及蛋白质组学的研究具有难以替代的作用。
• 微流控质谱检测的难点：芯片与质谱接口的问题。
  • 芯片与ESI-MS接口
    • 芯片外接毛细管接口
    • 芯片一体化接口
  • 芯片与MALDI-MS接口

其他检测技术

• 等离子体发射光谱检测
• 热透镜检测
• 生物传感器检测

液滴微流控技术

液滴的形成

• 介电泳方式
• T型接口式
• 流动聚焦式
• 多层液滴式

液滴的优点

• 体积小，10^-15~10^-9 L
• 样品无扩散，两相不互溶
• 反应条件稳定，油相对水相的保护
• 样品间无交叉污染，液滴相互独立
• 混合速度较快，混沌对流、毫秒级混合时间

液滴操控技术

• 试样引入方式
  • 微注射泵直接进样
  • 毛细管进样
• 液滴的驱动
  • 压力驱动
  • 介电力驱动
• 液滴的融合
  • 介电泳
  • 表面张力
  • 静电力
• 液滴的分裂
• 液滴的标记
• 液滴的在线控制
• 液滴的分选
  • 介电泳
  • 水凝胶门控
  • 水力门控
  • 气阀控制
  • 表面声波控制
• 液滴的存储

液滴表面处理

加入表面活性剂，更有利于液滴的形成，也能降低液滴表面张力，使内涵物分布更均匀。

液滴的应用

• 核酸
• 蛋白质
• 细胞
• 模式生物
• 复杂反应的模拟
• 微颗粒材料的制备
• 信号编码
• 液滴与电泳联用

核酸研究

基本概念

PCR芯片

DNA测序

基因芯片

常见应用

蛋白质研究

基本概念

蛋白质分离分析

常见应用

代谢小分子研究

离子

手性分子

代谢物

细胞生物学研究

相关概念

操作单元技术

常见应用

模式生物研究

常见模式生物

线虫生物学研究应用

其它生物学研究应用

生物芯片分析实例