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1、首届海峡化学生物学生物技术和医药发展讨论会（厦门) 芯片实验室(Lab on a Chip),研究生物过程和化学过程 的微尺度的实验平台,田昭武 林华水 周勇亮 乔兴忠 吴剑鸣 汤 儆,厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室,引言,平台： 化学工艺学与化学工程学的关系, 实验室反应与实验室仪器的关系, 剧团与剧院舞台的关系。 微： 信息产业与微电子机械产业的启示。,内 容,一. 关于芯片实验室,二. 厦门大学正在进行的工作和 已申请的几项发明专利,三. 前景展望,一.关于芯片实验室,什么是芯片实验室 为什么需要芯片实验室 将实验室加以芯片化的主要困难何在 芯片实验室的主要特点何在 如何实现芯片
2、实验室 芯片实验室关键问题及其创新契机何在,什么是芯片实验室,把化学生物实验室缩小并集成到芯片的尺度，为化学生物过程提供微平台,芯片实验室,生物亲和芯片,微流控芯片,(微全分析系统),基因芯片,蛋白质芯片,组织芯片,分离芯片(电泳芯片),合成芯片,反应芯片(PCR芯片),细胞芯片 操纵，筛选，计数等等,生物亲和芯片,蛋白芯片,基因芯片,为什么需要芯片实验室,生命领域(如医疗诊断制药等等)对生物和化学体系的分离分析工作量猛增,要求：,高效率， 低成本， 少样品，低消耗，低污染， 大量生产，可携带。,将传统实验室加以芯片化的 主要困难在于尺度效应,尺度变化: 原理上的转化：,长度 100-1000
3、倍；面积 1万1百万倍； 体积1百万倍-10亿倍。 制造上的困难；检测灵敏度的困难（光程短）。,液体量度,输运,混合,热传导等等传统过程和设备必须适应尺寸效应。 例如: 移液管量筒中液体驱动主要力量本来是重力， 微型化后重力已让位于表面张力,微系统中各物理量的尺寸效应,尺寸- L L 的 3次方 体积，质量，热容 L 的 2次方 面积，传热速度，双电层(电渗)，吸附量 L 的 1次方 线条长度，表面张力 纳系统特殊性,从板上挂的水珠看尺寸效应,Hartmut Gau, Stephan Herminghaus, Peter Lenz, Reinhard Lipowsky * , Science,
4、 Jan. 1, 1999,芯片实验室的主要特点何在,液体量度,输运,混合,热传导等等传统过程和设备必须适应尺寸效应。 重力因素退居次要,表面张力占领主导地位。 界面因素比较体相因素不可忽略,甚至更为主要。 双电层的电荷效应更显著。,如何实现芯片实验室,微电子技术， 微电子机械技术， 高灵敏度微检测技术， CCD阵列检测技术， 微尺度流体的物理化学过程的微型化及其特性的研究。,生物芯片对微流体的操纵,原来依靠实验室人员利用移液管、量筒、注射器、输液泵、阀门等等实验仪器进行的加样等动作必须代以自动化的微流操纵. 必须研究基于新原理的限定体积、驱动、阀门以及其他微小而又能实现各种功能的部件.,微流
5、体系统中的物理化学特点 微系统中各类基本单元的表面积与体积的比值远大于常规系统, 表面的性质上升为影响微系统性能的关键因素之一; 表面自由能与表面张力现象上升为主导液体运动的因素，可利用以控制液体的存储和导向分配流动，成为基于新原理的限定体积、驱动、阀门.,芯片实验室关键问题及其创新契机 （物理化学的角度）,利用双电层的电荷效应实现灵巧电渗泵 芯片中的的样品多道注入； 细胞操纵，筛选，计数等等。,利用表面张力控制界面的亲水、憎水性以实现： 芯片中的纳升级液体的 定体积取样，注样； 输运与阀门； 混合等等。,利用电迁移率差异及电场控制 实现分离并聚焦的聚焦电泳技术。,二. 我组的芯片实验室科研工
6、作 和已申请的几项发明专利,技术 发明专利 基因或蛋白质芯片制作技术高密度点阵点样芯片 聚焦电泳技术 聚焦电泳芯片 微流体驱动技术 低压电渗泵技术 预浓缩技术 电泳预浓缩装置 复杂三维微加工技术 金属三维微加工技术,1.基因或蛋白质芯片制作技术,当前已有的技术： 接触型机器人点样法（Affymetrix 公司） 喷墨法 印章法 原位合成法,Cartesian 公司点样仪系统,点样仪设备昂贵。价格在几万美元到几十万美元不等； 点样针价格昂贵而且针头易损坏。单根点样针价格在100美元到400美元不等； 多根针组成点样针群点样芯片制备效率虽然提高，但针头越多，价格越高，且针头不一致性越严重； 点样前
7、的预点样及更换样品时针头内剩余样品的洗涤和干燥，既浪费了珍贵的样品，又使机器人动作复杂化并降低点样效率。,当前点样针头群组成的 打印头的缺点,生物芯片对微流体的操纵,原来依靠实验室人员利用移液管、量筒、注射器、输液泵、阀门等等实验仪器进行的加样等动作必须代以自动化的微流操纵. 必须研究基于新原理的限定体积、驱动、阀门以及其他微小而又能实现各种功能的部件.,微流体系统中的物理化学特点 微系统中各类基本单元的表面积与体积的比值远大于常规系统, 表面的性质上升为影响微系统性能的关键因素之一; 表面自由能与表面张力现象上升为主导液体运动的因素，可利用以控制液体的存储和导向分配流动，成为基于新原理的限定
8、体积、驱动、阀门.,一种低成本高效率的 微阵列生物芯片点样技术,一种不需要电、光、磁、压电、又无内部机械驱动而巧妙利用液体表面张力的微体积溶液阵列点样技术，可用于生物芯片的高密度点样制备的低成本技术。 本技术已公开发明专利。(自主知识产权),原理不同, 结构不同,1200点,小巧、高效,每个点样单元的构造很简单且体积很小，集成块可以容纳成千个点样单元; 而集成块的总尺度仅与生物芯片的尺度相当（25mm 75mm，可称点样芯片）。 点样芯片每次可同时向生物芯片载体输送成百上千个按特定的点阵排列的亚纳升生物样品，效率很高。,节约昂贵的探针试剂 每个集成单元每次摄取的探针样品溶液仅为亚微升就足够分配
9、到成百上千张生物芯片上去，节约了昂贵的探针试剂或样品。,降低打印头和机器人的价格 点样单元集成块（点样芯片）的造价很低，可以一次性使用,完全避免了交叉污染和复杂的洗涤过程; 进一步提高了制造生物芯片的速度; 大大简化了点样机器人的动作要求，降低其价格。,转移头凸出的半球形液滴(亚纳升),操作简单(三步循环)：,当载体（空白生物芯片）与上述微阵列点样芯片平行相互靠近并接触转移头的液滴时，成千上万的阵列化转移头所携带的预定的亚纳升体积的液滴中的不同样品基本上全部在表面张力作用下从点样芯片转移到载体而形成微样品阵列。 然后二者脱离接触。液体转移头失去所携带的亚纳升级体积样品后，每组储备样品液在表面张
10、力作用下自动经由微通道向该组液体转移头补充预设定的亚纳升体积的样品溶液。,换上另一空白芯片后重复上述过程。循环成百上千次，则可将成千上万不同品种的储备样品液每次按预设定的亚纳升体积转移到成百上千张接受液体转移的载体上。 由于点样芯片的结构很简单，而且整个装置的微液流过程可以只靠表面张力作用，因此制造成本很低，有可能作为一次性用品，避免了洗涤和交叉污染。,突起型液体转移芯片相邻储液槽均用不同样品（红、蓝墨水）点样结果图像,CV=2.45%,CV=2.45%,点样芯片所得样点直径波动图,荧光素钠溶液为样品的点样图像,尼龙膜上的阵列,100单元点样芯片,阵列储液池的充液,利用阵列式多通道微量移液器从
11、1536微孔板吸取384种样品，移至点样芯片的相应单元的储液孔中。根据阵列点数的要求，点样芯片的单元数为384的4、9、16、25、36倍。,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,3,3,3,3,3,3,4,4,4,4,4,4,1536微孔板,芯片,2.25 mm,本发明的创新特点和经济效益,每个点样单元的构造很简单且单元体积很小（相对于目前已有的任何技术），样品溶液的驱动和定量只利用表面张力，不用电、磁、热、光，也没有压电动作或内部机械运动。 点样单元集成块可以容纳数千个点样单元（远多于目前点样针头群中的点样针的数目以及目前已有的任何技术的点样单元数），而点样单元集成块的总尺度与生
12、物芯片的尺度相当（远小于目前点样针头群以及目前已有的任何点样头）。 点样单元集成块每次可同时向生物芯片载体输送数千个按特定的点阵排列的生物样品，效率为目前点样针头群的数十倍. 每单元吸取溶液仅为亚微升,就足够按亚纳升分配到成百上千张生物芯片上去，节约了昂贵的探针试剂或样品。 点样单元集成块的造价很低，可以一次性使用，完全避免了交叉污染和复杂的洗涤过程，更提高了制造生物芯片的速度。 简化了点样机器人的动作要求，降低了点样机器人的价格。,生物芯片降低价格,用户范围扩大到数量众多的医院，直接为亿万病人服务，是生物芯片革命性的进步，利国利民, 社会效益和经济效益巨大.,2. 聚焦电泳技术,区带电泳,聚
13、焦电泳,XYZ,新的电泳分析技术 -聚焦电泳技术,既具有等电聚焦电泳的聚焦优点, 又避免了等电聚焦只适用于蛋白质和多肽等两性电解质的致命缺点，适用对象范围与区带电泳同样广泛。 既保留了上述的区带电泳技术的全部优点（应用范围广，分辨率高，速度高, 样品少, 运行成本低。）。,独特的芯片化效果,聚焦电泳芯片,基于电流劈分原理的聚焦电泳技术： 电泳通道长度下降一个数量级， 电泳分析的浓度检测下限改善一个数量级。,在欧洲专利局申请了专利，已通过审核，进入 国际延伸阶段，提交了向美国、英国、德国延伸专利 的申请。(European Patent Office PCT/EP/10494, 申请号01315
14、82.X，公开号WO 02/35223 A1)。 同时也在中国申请了专利。,3.微流体驱动技术,常规生物/化学实验室分析流程,样品 处理,生物/化学反应,分 离,检 测,取样,单元操作：量取、移动、停止、混合、,分离、检测等,工具：量具、泵、阀、反应器,分离仪器、检测仪器等,人工操作：引入误差、造成污染,电渗泵优点,低流速,低流量。 无时间滞后,无死体积。 不需要阀门，结构简单, 易集成。 可程序化操作。 可连续流或脉冲流。,低电压电渗泵技术,适用于芯片实验室的溶液输送。由于使用特别的设计（电 渗流压力串联而电压并联），解决了目前电渗泵操作电 压过高的问题，提供一种低电压驱动的灵巧微型电渗泵。
15、,为了灵活多样地向阵列电渗泵提供电源,我们还研制成功程序 控制的多脉冲电源系统。,将电渗泵微型化到芯片中，特别适用于做芯片中微沟道的流体驱动泵，因而有可能用电池驱动，不依靠市电操 作而便于携带。,4.电泳预浓缩装置技术,小巧，可以装配到电泳、色谱、质谱或光谱等分离分析仪器 对样品进行分析前的预浓缩，降低检测限，使痕量物质的检测成为可能； 该装置结构简单，也可集成在芯片上，成为芯片实验室的预浓缩元件。 实验结果表明，随时间的增加，样品的浓度越来越高（可以达到两个数量级）。,电泳预浓缩装置,预浓缩前 预浓缩后,5.复杂三维微加工技术,复杂三维图形的工件可一步向工件传输复杂三维图形信息量而成形，有利
16、批量生产。 关键在于距离敏感（加工与否取决于模具模板与工件的距离)接触(零距离)或超微距离。 接触(零距离): 可塑性材料（例如：泥土，热塑性塑料）模铸（例如：金属）。 超微距离刻蚀: 非可塑性材料(例如:半导体,金属)。,复杂三维微加工技术,新微加工领域的CELT技术原理与微加工两大领域(IC和LIGA)都不相同而与它们互为补充 以实验表明其可用于批量制造富有应用价值 的金属和半导体的复杂立体微结构 为微系统（包括芯片实验室）各种部件的设计和制造提供新的机动性和可能性,复杂三维电化学加工技术 (约束刻蚀剂层技术，CELT),A regular mold with gear-like patt
17、erned,110m,A regular mold with pyramid array,The etched pattern on GaAs -microhole arrays using the above mold,Etching condations:10 mM HBr + 50 mM HCl + 50 mM H3AsO3 at a constant current i = 4.110-3Acm-2, t = 8 min,在铜表面复制加工的微结构,三.前景展望,高效廉价临床化验。 高效廉价制药筛选。 高效廉价基因技术。 便携或袖珍式疾病诊断技术。 便携或袖珍式环境诊断技术。,谢 谢 ！,