芯片实验室.ppt
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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
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