• 微流控芯片及平台技术研究

2.3 微流控芯片及平台技术研究

          技术(Microfluidics)又被称作“芯片实验室”(lab-on-a-chip)或者“微整合分析芯片”(micro total analytical systems,μTAS)其是把生物、化学、医学的整个反应和分析过程集成到一块芯片上,自动完成整个以前在实验室完成的复杂的实验全过程。这其中包括样品制备、反应、分离、检测等基本操作流程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微液滴芯片技术是在传统的单相微流控芯片技术的基础上发展而来的,其是基于油和水液滴的不互溶特性的两相系统。与单相微流控系统相比有更多的优点,如液滴可以更小达到微升以下量级,消耗样品和试剂量更少,样品量不会损耗,混合速度更快,不易造成交叉污染,易于操控,可以让系统具有数字化特征并易于检测等。

       本研究中,新型微流控芯片系统平台的开发,包括离心力微流控平台及电湿润微流控平台。研究目标是使系统具有可反馈可扩展特性,提高芯片在功能层面的集成度。前期在基于液滴的离心力微流控平台及DNA扩增实验前期的研究中,对离心力平台做了理论及应用上的拓展。


2.3.1离心力平台的供电及芯片局部加热和控制技术研究

       在传统的离心力旋转的平台上,不易实现局域加热,然而这在很多反应中需要。本研究中,如下图,通过分离磁芯变压器来给旋转的平台供电。从而可以在平台上实现加热、温度测量,无线通信控制、微阀的控制等等。为实现多功能的芯片平台(如DNA扩增的PCR实验)提供了必要的基础。另一方面,局域加热的加热器的设计也是本项目一个极为关键的问题。

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离心力微流控平台及分核磁芯供电方式

,  et.al, Lab Chip, 2013, DOI: 10.1039/C3LC50545F



2.3.2 转动平台实时荧光检测技术研究

       在离心力平台上,实时的检测是一个难题。本研究通过高速采样及数字锁相的方式,实现了旋转中的实时荧光检测。如下图,在激励光的照射下,转动平台的响应光通过光电倍增管后输入数据采样设备,进行高速采样。采样到的数字信号导入数据处理单元。同时通过电机的控制单元提供的转动信息来锁定荧光探测系统。从而该系统实现了高速转动平台上的实时荧光检测。该工作将开启一系列全新的微流控的研究领域。

离心力平台的实时荧光检测系统


2.3.3 基于密度差驱动的芯片驱动方式研究

       在转动平台中,通过水和油的密度差所产生的离心力来驱动微液滴在静止的油中游弋。相对于普通的微液滴芯片,该方式主要有以下几个优点:精确的位置控制;气泡和液滴的分离容易;装置操作简单,无需复杂的微量注射泵;所有液滴并行地进行各自独立的操作。相比于基于介质的电润湿法相比,不需要多点高压电源设备,不需要复杂的驱动系统,可扩展性不需要硬件的支持。 基于离心力平台上的droplet in oil 配置,可以实现很多新的生物芯片。

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基于密度差驱动的离心力平台

2.3.4 离心力双态平台的研究

       在普通的离心力平台上,离心力只能驱动液滴从内向外运动,系统结构是单向性的。在前期的研究中,我们通过弹簧的弹力来平衡离心力,通过控制转动速度来控制管道倾斜的方向,从而实现了液流的双向控制。如下图分别为低速转动和高速转动时候的芯片状态图,其中的液滴流动的方向是双向的。基于双态平台,本研究将开发逻辑操控功能,实现多功能高集成度的微流控芯片。

彩票大赢家转动速度驱动的双态系统设计