当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第八章 微流体与芯片实验室 > 第6小节 试样处理(续) > 试样处理(续)
下面我们来看过滤
过滤与前面所说的混合有一点类似
也是在层流的情况下
我们怎么能够获得一个 从一种溶液中
提取我们想要的被分析物这样的一个目的
通常情况下我们采用一个类似于英文H型字母
这样的一个结构
我们把它叫做H型过滤器
从H型过滤器的两个输入端分别输入两相流
那么这两相在流动的过程中
处于一个层流的状态
因此
在层流的过程中一种溶液中的溶剂
会向另一种溶液中扩散
当两种溶剂的性质不同的时候
它们的扩散速度也不一样
因此
在管道流出的时候
扩散系数大
扩散速度快的分子
就从一种溶液扩散到了另一种溶液
而扩散系数小
扩散速度慢的分子仍旧留在原来的溶液中
我们用这幅图可以典型的看出来
在输入端有红蓝两种不同的分子
当输入端的溶液与缓冲液并行流动的时候
蓝色的分子由于扩散系数大
扩散速度快
在出口的时候有很多已经扩散进入了缓冲液
如果我们把这一个过程进行几次重复
那么就能够实现一个比较良好的过滤
这个表格给大家看到了我们常用的
几种化学物质
它的一些扩散系数和扩散100微米长
所需要的时间
我们来看一下苯妥英
它的扩散系数达到了5.8
那么在扩散100微米长的时候需要8.6秒
而对于最下一行的免疫球蛋白
它的扩散系数只有0.43
那么扩散100微米长的时候
需要将近120秒的时间
所以对于不同的分子具有不同的扩散特性
那么可以通过层流的办法进行二者的
区分和筛选
接下来我们来看一下在传统分析化学中
比较常用的一种分析方法
毛细管电泳
毛细管电泳利用的实际上是电解质中
带电粒子在电场力的作用下
以不同的速度运动的这样的一个特性
我们来看这样的一个公式
运用相同的长度Lt的时候
所需要的时间是Lt的平方除以U和V的乘积
那么V是我们通过电容两端所施加的驱动电压
U是电泳速度和电渗流速度的比值
由于这二者都与被分析物的荷质比有关
所以
我们通过不同的分析物就可以获得
不同的电泳时间
也就是这幅图所看到的
当我们在入口有两种分子混合成
一个液塞注入的时候
通过电泳一段距离以后
两种被分析物就产生了距离上的差距
那么我们出口先后收集到就是
两种不同的被分析物
实现这样的一个功能经常用到的芯片
就像这个图所示的
我们采用一个十字型的交叉管道
在这个管道的相应位置施加电泳
所需要的驱动电压
那么在输出端我们就可以用时间
来区分两种不同的分析物
接下来我们来看一下色谱法
色谱法也是传统分析化学里面
常用的一种分离方法
它所利用的是不同的样品与色谱柱中的固相
和液相之间的作用不同
那么在流出的时候
二者就产生了区分
我们来看当色谱柱中具有一些固相的时候
我们把两种要分离的物质和流动相
一起注入到色谱柱中
由于两种不同的物质与色谱柱中的
固相和流动相产生不同的作用
比如说吸附力的大小不同
有的吸附力大
有的吸附力小
那么在出口的输出端
吸附力大的就流动比较慢
吸附力小的流动比较快
因此
在出口端首先出现的就是流动速度比较快的
像这幅图所示的
通过一个色谱柱我们可以把黄 蓝 红 绿
四种颜色的物质把它区分开
然后在出口得到的就是这四种不同的物质
在芯片上由于我们可以采用微加工的手段
所以在芯片上实现色谱柱的时候
我们可以采用一些不同结构的固定相
这些固定相具有不同的形貌 尺寸以及密度等等
以实现我们不同的分离目标
像这个图给大家看到的分别是一些
复杂的锥形和一些圆柱体
那么圆柱体的表面进行一些表面改性以后
还可以获得更好的一些固定相效果
接下来我们来看一下层流所控制的流动转向
我们前面讲到的微流体在管道中流动的时候
都是沿着既有的管道直线流动的
如果想要它转向该采用什么办法呢
我们来看这一幅图
在垂直方向上
如果我们注入了水和一个绿色的试剂
在水平方向上我们注入了水和一个红色的试剂
假设水平和垂直方向是分别注入的
那么在流动的过程中
它们就形成了我们图示中的绿色箭头
或者红色箭头的方向
但是
如果水平和垂直的流动是同时注入的
那么在二者的交汇点
由于流动的相互作用会把绿色的溶剂
向左侧挤压
把红色的溶剂向上方挤压
因此
我们通过与之垂直的一些流动就可以改变
不同的流动方向
像这幅图我们看到的
可以把水平方向的流动改为竖直方向
也可以把竖直方向的流动改为水平方向
那么通过从一个端口注入几种溶液的办法
我们还能够精确的控制柱塞的大小
形成我们所需要的非常小的一些鞘流
我们来看这个图
当水平方向的被分析物向右侧流动的过程中
在垂直两个方向上注入相向流动缓冲液
那么这两个缓冲液会挤压我们被分析物的
流动过程
使原来的粗管道流动变成一个细管道流动
那么这个时候再进行一个进样的过程
就可以把原来的很大的一部分被分析物
通过鞘流的办法切割为一个很小的流动物
我们看这两个荧光照片所展示的例子
我们既可以通过上下注入缓冲液
挤压形成鞘流
来获得一个更细的流动
也可以通过控制上下的电压
使上下缓冲液的流量不同
从而来改变流动的方向
下面我们来看一下在芯片上实现的深化反应
通常深化反应需要一定的反应条件
比如说压强 温度等
那么在芯片上来实现深化反应
可以有两个优点
第一是反应物的数量是可以微量可控的
这跟我们采用了一个很窄的流动系统
来控制进样量的大小有关
第二微反应的环境是可测和可控的
例如说我们集成了不同的传感器
就可以获得温度 流量 PH值等一些参数
那么通过参数来进行对反应条件的控制
这个图给大家看到的是一个典型的
在芯片上进行反应的反应腔结构图
那么它包括了一个反应腔
以及控制反应腔的器件
我们来看对于常规的反应来讲
我们需要提供一个反应温度
所以我们来介绍三种可以进行
温度控制的反应体系
第一个是微热板
微热板又分成固定的反应腔和流动的反应腔
这幅图给大家看到的是一个固定的反应腔
那么它包括一个氢氧化钾所刻蚀的反应腔自身
以及来控制反应腔内部的一个加热电阻
这个加热电阻既可以是金属也可以是多晶硅
对于
位于底部的加热电阻通以一定的电流的时候
我们就能够对反应腔的温度进行准确的控制
同时我们也可以在底部来集成一个温度传感器
在加热的同时来获得温度的信息
下面是一个流动的反应器
它跟前面介绍的固定反应腔不同
它的整个反应是在流体管道内流动完成的
同时
它的温度控制可以在不同的管道区域
进行不同的温度选择
从而可以使流体在流动的过程中
经历不同的温度区段
像这个图就是一个典型的
有五种温度控制的一个流体管道
当然我们也可以采用一些其它的结构形式
如果对于反应的温度要求比较高
或者对反应液滴的体积要求比较高
我们也可以采用一个微型悬臂梁的结构
那么这一个悬臂梁像一个跳水板一样
悬空在衬底的边缘
上面带有加热电阻
由于上下的绝热效果对于这样的一个悬臂梁
我们可以用一个很小的电压
迅速的将它加热到几百甚至于上千度
同时由于它的热容量很小
它的冷却速度也很快
那么这样的一个反应平台对于研究
一些微观上的生化反应机理有很大的帮助
除了我们前面提到的流动和反应腔式的结构
在很多的情况下我们需要液滴进行反应
也就是一个独立的液滴和另一个独立的液滴
进行反应
同样实现这样独立的液滴
我们也采用基于电润湿的方式
或者前面讲过的基于乳液的形成方式
像这一幅图给大家看到的就是
一个典型的基于电润湿的方式
还有利用流动我们可以形成多向流的反应器
例如这一个图我们把反应物一和反应物二
同时注入到流体通道的入口
经过一定长度的混合
二者在一个比较长的管道内流动的过程中
产生相应的生化反应
反应结束以后
我们还可以在另一个位置注入一个反应物三
那么同样也可以经过混合和第二次的生化反应
所以如果多种物质需要进行先后顺序的反应
那么我们只需要在不同的管道节点
注入相应的物质就好了
如果是多种物质同时进行反应
那我们需要在管道的入口将这些物质同时注入
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