微流控芯片基础及应用（王俊生）

分析检测技术是科学技术领域最重要的组成部分之一，对推动全球科技创新和经济发展起到了至关重要的作用。世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的要求也越来越高，发展先进的分析检测技术与设备已经成为全球生命科学领域和高新技术领域的竞争热点。在以生命科学为主导的当今时代，随着科学技术的发展，生命科学领域已经涌现出大量先进技术，以服务人类生命健康事业，微流控技术便是其中之一。微流控技术又被称为芯片实验室（lab on a chip）或微流控芯片（microfluidic chip），是以物理化学和分析化学为基础，纳米技术和微机械为依托，并随着生物化学、生物医学工程而兴起的一门多学科交叉融合的学科。
作为一类新兴的集成化技术平台，微流控芯片凭借其内部集成的微通道、微反应器、微泵、微阀等各类功能性微纳米结构单元，能够自动实现样品前处理、反应、富集、标记、检测和分离等多个反应操作。它能够将一整个医学或生物实验室浓缩集成到一块数平方厘米的芯片上，实现了小型化、集成化、自动化的分析检测要求。目前，微流控技术已广泛应用于环境检测、食品安全、药物筛选、疾病诊断、生命健康和石油化工等方面。
本书在编写过程中，在遵循基础环境化学实验的前提下，重点关注了如下几个方面：一、微流控芯片的理论基础；二、微流控芯片的加工工艺与控制检测技术；三、微流控芯片的最新发展成果与应用。具体来讲，本书编写过程从微流控芯片相关科学研究的关注点着手，以培养学生创新研究和解决复杂工程问题的能力为目标，在传统基础实验基础上编入了一些最新的前沿研究资料，注意反馈当今所关注的环境问题的最新进展。本书主要涉及微流控芯片材料与加工工艺、微流体驱动与控制技术、微流控芯片中进样与混合、微流控芯片检测技术、数字微流控技术等方面的关键实验技术。此外，本书特别考虑融入了船舶海洋背景高校的特色。本书注重学生今后在研究实践和生产实际中实验技术的培养，并关注微流控芯片应用领域最新研究成果的介绍，旨在适应微流控芯片的发展趋势和高等学校光电信息科学与工程、机械工程、材料科学、环境工程等相关专业的教学需要。
本书是对编著者近年来开展环境化学实验教学过程的相关总结，是编著者及相关研究生的集体智慧和辛勤工作的成果。全书具体分工如下：第1章由王俊生、王艳娟编著，第2章由王成法、王艳娟编著，第3章由赵凯编著，第4章由李梦琪编著，第5章由王成法、冯巧宇编著，第6章由刘志坚编著，第7章由赵凯编著，第8章由彭冉编著，第9章由王俊生、符策、王月竹、丁格格编著。一稿完成后，相互校对，最后由赵凯、王艳娟统稿并定稿。
本书的编写受到大连海事大学研究生教材出版研究项目（编号：YJC2022009）、大连海事大学研究生教育教学改革项目（编号：YJG2021505）的资助。此外，本书在编写过程中广泛借鉴参考了已出版的有关教材、专著和文献，在此谨向有关作者表示诚挚的谢意。
由于编著者研究领域和学识所限，书中难免有不足之处，恳请广大读者不吝赐教，我们将在今后工作中不断改进。

编著者

微流控芯片技术是以物理化学和分析化学为基础，以纳米技术和微机械为依托，并随着生物化学、生物医学工程而兴起的一门多学科交叉融合的学科。它具有自动化、小型化、集成化、耗样少、反应速率快等诸多优点，有着极为广阔的应用前景。微流控芯片技术自诞生以来受到学术界和产业界的极大关注，发展迅猛，形成了一门全新的、具有战略意义的科学技术。本书旨在将微流控芯片技术的基础理论和前沿应用介绍给广大初学者和学生，全书共分为9个章节，包括微流控技术的基础理论、材料与加工工艺、微流体驱动与控制技术、微流控芯片中进样与混合、微流控芯片检测技术、数字微流控技术、微流控芯片在生物医学及船舶与海洋环境等领域的热点应用，涵盖了微流控技术的基本理论、基本方法、关键技术和最新的研究进展。本书可作为微流控技术、分析化学、生物技术、微机电系统（MEMS）等相关专业的学生教材，也可作为科研人员、技术人员的参考资料。

王俊生，主要从事光电传感与微流控芯片光电检测技术及其在船舶海洋环境中的应用基础研究，并作为辽宁省重点实验室负责人，大连市重点领域创新团队负责人，入选辽宁省“百千万人才工程”百层次、交通运输青年科技英才、首批辽宁省“兴辽英才计划-青年拔尖人才”、辽宁省创新人才支持计划，大连市杰出青年科技人才支持计划。研发了基于光电微纳传感的生物污染物快速检测成套装备，应用于海事、海关检疫检验、海产养殖、污染物检测、生物医药卫生等领域，并得到应用单位的一致好评，打破国外进口产品垄断，达到国际领先水平，产生显著的社会效益。获得了辽宁省技术发明一等奖（排名第1，2020）、中国海洋工程科学技术奖一等奖（排名第2，2019）、中国航海学会技术发明一等奖（排名第2，2020）、中国航海学会青年科技奖（独立获奖）、大连市技术发明二等奖（排名第1，2020，2018）、辽宁省自然科学学术成果奖二等奖（排名第 1）、辽宁医学科技奖三等奖（排名第2）、大连市自然科学优秀学术论文一等奖（排名第 1）。担任国家科技奖评审专家、交通运输部科技专家库专家，以及本学科多个国际学术期刊编委及审稿人。承担了国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金项目和省部级重点项目27项。发表论文70余篇，其中SCI期刊论文44篇、EI收录20余篇次，申请国家发明专利40余项、国际PCT专利1项，以第 一发明人获授权发明专利21项，软件著作权3项，专利成果转化3项，向国际海事组织IMO和国际标准化组织ISO提案，相关成果得到国内外同行的广泛认可，为提升海上交通强国做出了突出贡献。

第1章  绪论 001
1.1  概述  001
1.2  微流控芯片实验室及其发展历史  002
1.2.1　微流控芯片实验室定义  002
1.2.2　微流控芯片的发展历史  002
1.2.3　微流控芯片的发展趋势  005
1.3  微流控芯片及基本操作单元  006
1.3.1　样品进样  006
1.3.2　微混合与微反应  006
1.3.3　微驱动与微控制  006
1.3.4　微检测  007
1.4  微流控芯片的分类与特点  009
1.4.1　按材质分类  009
1.4.2　按传感方式分类  009
1.5  设计软件与加工设备  010
1.5.1　设计软件  010
1.5.2　加工设备  011
1.6  微流控芯片应用  013
1.6.1　生物医学领域  013
1.6.2　船舶海洋环境领域  014
1.6.3　其他领域  015
习题及思考题    016
参考文献  016

第2章  微流控芯片理论基础 019
2.1  概述  019
2.2  流体相关理论  019
2.3  电场相关理论  020
2.3.1　电动现象  020
2.3.2　颗粒在水平油-水界面中电动运动  023
2.3.3　油滴在空气-水界面附近电动运动  026
2.4  浓度场相关理论  028
2.5  磁场相关理论  029
习题及思考题  031
参考文献  032

第3章  微流控芯片材料与加工工艺 034
3.1  概述  034
3.2  微流控芯片材料  034
3.2.1　硅  035
3.2.2　玻璃和石英  036
3.2.3　聚合物  037
3.2.4　其他材料  039
3.3  微加工技术  042
3.3.1　光刻  042
3.3.2　表面微加工  043
3.3.3　体微加工  045
3.3.4　三维打印技术  047
3.3.5　激光直写技术  048
3.3.6　电化学微加工  050
3.3.7　其他微加工技术  051
3.4  微流控芯片制作工艺  052
3.4.1　无机材料芯片制作  052
3.4.2　聚合物芯片制作  054
3.4.3　芯片表面改性技术  056
3.4.4　芯片封装  058
3.5  芯片制作环境  061
3.5.1　超净间工作环境  062
3.5.2　超净间洁净度分级  063
3.5.3　超净间组成及设备  065
3.5.4　超净间应用  070
3.5.5　超净间管理制度及安全细则  071
习题及思考题  073
参考文献  074

第4章  微流体驱动与控制技术 079
4.1  概述  079
4.2  微流体机械驱动  079
4.2.1　离心式  079
4.2.2　压力式  084
4.3  微流体非机械驱动  088
4.3.1　电驱动  088
4.3.2　电水力驱动  091
4.3.3　表面张力驱动  091
4.3.4　热驱动  092
4.4  微流体控制技术  092
4.4.1　电动控制  092
4.4.2　微阀控制  097
习题及思考题  102
参考文献  102

第5章  微流控芯片中进样与混合 106
5.1  概述  106
5.2  样品进样与前处理  106
5.2.1　样品进样  106
5.2.2　样品前处理  114
5.3  微混合与微混合器  118
5.3.1　微混合  118
5.3.2　主动式微混合器  118
5.3.3　被动式微混合器  123
5.4  微反应与微反应器  129
5.4.1　微反应  129
5.4.2　微化学反应器  130
5.4.3　微生物反应器  139
习题与思考题  145
参考文献  146

第6章  微流控芯片检测技术 151
6.1  概述  151
6.2  光学检测  151
6.2.1　激光诱导荧光检测  151
6.2.2　紫外吸收光度检测  156
6.2.3　等离子体光谱检测  158
6.2.4　化学发光检测  160
6.3  电学检测  166
6.3.1　电阻检测  166
6.3.2　电容检测  169
6.3.3　电感检测  172
6.3.4　联合检测  175
6.4  电化学检测  180
6.4.1　电流检测  180
6.4.2　电导检测  182
6.4.3　电位检测  183
6.5  其他检测  184
6.5.1　质谱检测  184
6.5.2　热透镜检测  186
习题及思考题  188
参考文献  188

第7章  数字微流控技术 194
7.1  概述  194
7.2  表面润湿与接触角  195
7.2.1　表面润湿  195
7.2.2　接触角  196
7.3  表面张力与介电润湿  199
7.3.1　表面张力及其调控  199
7.3.2　介电润湿  201
7.4  数字微流控液滴操控  203
7.4.1　微液滴生成机理  204
7.4.2　微液滴合并与分裂  204
7.4.3　微液滴运输  206
习题及思考题  207
参考文献  207

第8章  微流控芯片在生物医学领域的应用 210
8.1  概述  210
8.2  细胞芯片  210
8.2.1　细胞培养  211
8.2.2　细胞操控  215
8.2.3　细胞裂解  218
8.2.4　细胞刺激  221
8.2.5　细胞分析  223
8.2.6　单细胞研究  226
8.3  器官芯片  228
8.3.1　器官芯片的发展  228
8.3.2　肺芯片  229
8.3.3　肝脏芯片  231
8.3.4　肾脏芯片  231
8.3.5　脑芯片  233
8.3.6　其他器官芯片  235
8.4  微生物芯片  237
8.4.1　微生物芯片的发展  237
8.4.2　微流控芯片上微生物研究方法  237
8.4.3　微流控芯片上微生物毒性耐药性测试  240
8.4.4　微流控芯片微生物燃料电池  241
8.4.5　其他应用  242
8.5  疾病诊断芯片  243
8.5.1　免疫诊断  244
8.5.2　分子诊断  245
8.5.3　商业化的诊断系统  246
习题及思考题  250
参考文献  250

第9章  微流控芯片在船舶、海洋和其他领域的应用 258
9.1  概述  258
9.2  船舶压载水检测  258
9.2.1　微藻检测  259
9.2.2　细菌检测  264
9.3  船舶油液污染物检测  267
9.4  船舶油污水检测  271
9.5  海洋微塑料检测  272
9.6  海洋重金属离子检测  276
9.7  其他应用  284
9.7.1　化学及药物合成  284
9.7.2　食品安全分析  286
习题及思考题  291
参考文献  291

微流控芯片技术是以物理化学和分析化学为基础，以纳米技术和微机械为依托，并随着生物化学、生物医学工程而兴起的一门多学科交叉融合的学科。它具有自动化、小型化、集成化、耗样少、反应速率快等诸多优点，有着极为广阔的应用前景。微流控芯片技术自诞生以来受到学术界和产业界的极大关注，发展迅猛，形成了一门全新的、具有战略意义的科学技术。本书旨在将微流控芯片技术的基础理论和前沿应用介绍给广大初学者和学生，全书共分为9个章节，包括微流控技术的基础理论、材料与加工工艺、微流体驱动与控制技术、微流控芯片中进样与混合、微流控芯片检测技术、数字微流控技术、微流控芯片在生物医学及船舶与海洋环境等领域的热点应用，涵盖了微流控技术的基本理论、基本方法、关键技术和最新的研究进展。本书可作为微流控技术、分析化学、生物技术、微机电系统（MEMS）等相关专业的学生教材，也可作为科研人员、技术人员的参考资料。

王俊生，主要从事光电传感与微流控芯片光电检测技术及其在船舶海洋环境中的应用基础研究，并作为辽宁省重点实验室负责人，大连市重点领域创新团队负责人，入选辽宁省“百千万人才工程”百层次、交通运输青年科技英才、首批辽宁省“兴辽英才计划-青年拔尖人才”、辽宁省创新人才支持计划，大连市杰出青年科技人才支持计划。研发了基于光电微纳传感的生物污染物快速检测成套装备，应用于海事、海关检疫检验、海产养殖、污染物检测、生物医药卫生等领域，并得到应用单位的一致好评，打破国外进口产品垄断，达到国际领先水平，产生显著的社会效益。获得了辽宁省技术发明一等奖（排名第1，2020）、中国海洋工程科学技术奖一等奖（排名第2，2019）、中国航海学会技术发明一等奖（排名第2，2020）、中国航海学会青年科技奖（独立获奖）、大连市技术发明二等奖（排名第1，2020，2018）、辽宁省自然科学学术成果奖二等奖（排名第 1）、辽宁医学科技奖三等奖（排名第2）、大连市自然科学优秀学术论文一等奖（排名第 1）。担任国家科技奖评审专家、交通运输部科技专家库专家，以及本学科多个国际学术期刊编委及审稿人。承担了国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金项目和省部级重点项目27项。发表论文70余篇，其中SCI期刊论文44篇、EI收录20余篇次，申请国家发明专利40余项、国际PCT专利1项，以第 一发明人获授权发明专利21项，软件著作权3项，专利成果转化3项，向国际海事组织IMO和国际标准化组织ISO提案，相关成果得到国内外同行的广泛认可，为提升海上交通强国做出了突出贡献。