圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室

前言

去冬今春，科學(xué)出版社楊震先生多次約稿，希望能以圖解形式出版一本關(guān)于微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的著作，以期在更大范圍內(nèi)向讀者介紹這一已經(jīng)受到廣泛關(guān)注的科學(xué)技術(shù)。我們接受了這一邀請(qǐng)。這本新書(shū)和作者在2006年7月出版的專(zhuān)著《微流控芯片實(shí)驗(yàn)室》有兩個(gè)重要區(qū)別，其一當(dāng)然是形式，圖解版易于給讀者更多的直觀感受；其二，也是更為重要的，則是內(nèi)容。這本新書(shū)力圖更充分地反映微流控芯片實(shí)驗(yàn)室在剛剛過(guò)去兩年的急劇發(fā)展。兩年前，同樣是在2006年7月，Natum雜志出版了一期包括七篇評(píng)述的芯片實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)輯，其中的編者按稱(chēng)，它有可能成為“這一世紀(jì)的技術(shù)”。專(zhuān)著和專(zhuān)輯中七篇評(píng)述的作者來(lái)自不同的國(guó)家，有長(zhǎng)期從事微流控芯片研究的積累，在同一時(shí)間從不同的角度對(duì)同一對(duì)象提出了基本一致的看法。其中的要點(diǎn)是：這是一種非常重要的科學(xué)技術(shù)，可能會(huì)產(chǎn)生全局性的影響，引發(fā)革命，但就整體而言，它仍處在發(fā)展前期。此后兩年中，微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展超越了以往的任何一個(gè)階段。各國(guó)政府競(jìng)相投入，研究隊(duì)伍不斷擴(kuò)大，論文數(shù)目迅速增加，已經(jīng)出現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化初期的種種跡象。同樣是在這兩年，作者課題組基本完成了以微流控芯片、芯片工作站和單元部件構(gòu)建為目標(biāo)的“原始積累”，開(kāi)始把更多的精力集中于以社會(huì)重大需求為背景的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，所有的成果大大豐富充實(shí)了這本新書(shū)的內(nèi)容。這本書(shū)由我們及我們的同事和學(xué)生共同完成，參與者的名字列于文前，其中高雁同學(xué)作了大量協(xié)調(diào)工作，兢兢業(yè)業(yè)。全書(shū)從思想內(nèi)容到邏輯文字都經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲、再三斟酌，并堅(jiān)持以作者實(shí)驗(yàn)室的工作貫穿始終，字里行間滲透著來(lái)自第一線勞作的艱辛。我們希望，這本書(shū)能有助于加強(qiáng)廣大讀者對(duì)這一科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步了解。感謝科技部“973”、“863”、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)及重大基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院和大連化學(xué)物理研究所創(chuàng)新項(xiàng)目的支持，感謝社會(huì)各界和廣大讀者在《微流控芯片實(shí)驗(yàn)室》一書(shū)出版后對(duì)課題組的諸多關(guān)心和熱情鼓勵(lì)。此外，本書(shū)引用了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的部分相關(guān)工作。在此一并表示衷心的感謝!

內(nèi)容概要

本書(shū)配以豐富、形象的圖表，全面概述芯片實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)單元技術(shù)及其集成，并介紹這一技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：微流控芯片的材料與芯片制造技術(shù)，表面改性技術(shù)，驅(qū)動(dòng)控制和檢測(cè)技術(shù)，樣品處理和進(jìn)樣技術(shù)，微混合和微反應(yīng)技術(shù)，微分離技術(shù)，液滴技術(shù)以及各種技術(shù)的集成；在此基礎(chǔ)上以系統(tǒng)生物學(xué)為綱，分別對(duì)芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)在核酸分析和基因診斷，蛋白質(zhì)和糖綴合物分析，代謝產(chǎn)物以及小分子分析，細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解、內(nèi)涵物測(cè)定和基于細(xì)胞模型的藥物篩選研究，相互作用研究及其他方面的應(yīng)用加以描述。作者課題組在這一領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累和已完成的工作作為基本內(nèi)容和具體案例貫穿全書(shū)?！　”緯?shū)可供生命科學(xué)、化學(xué)及微機(jī)電力HI（MEMS）等領(lǐng)域的科研、技術(shù)人員以及教師參考，也可作為高等院校、科研院所相關(guān)專(zhuān)業(yè)大學(xué)生和研究生的輔助教材。此外，本書(shū)還可供政府相關(guān)部門(mén)的管理人員閱讀參考。

作者簡(jiǎn)介

林炳承博士，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員。德國(guó)TUbingen大學(xué)、比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者；德國(guó)Tubinqen大學(xué)、美國(guó)Truman州立大學(xué)、香港大學(xué)、意大利科學(xué)院客座教授；德國(guó)洪堡基金（AvH）、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）Fellow。第一至七屆全國(guó)毛細(xì)管電泳大會(huì)主席或主席之一。Electrophoresis雜志副主編，Miniaturization in Asia Pacific年刊客座主編。20世紀(jì)90年代致力于毛細(xì)管電泳研究，近十年來(lái)從事微流控芯片實(shí)驗(yàn)室研究，并以生物醫(yī)學(xué)和藥學(xué)為主要應(yīng)用對(duì)象。著有《微流控芯片實(shí)驗(yàn)室》（科學(xué)出版社，2006）等著作。

書(shū)籍目錄

序第1章　緒論　1.1　基本概念　1.2　相關(guān)稱(chēng)謂　　1.2.1　微全分析系統(tǒng)　　1.2.2　生物芯片　　1.2.3　微陣列芯片　1.3　發(fā)展簡(jiǎn)史　1.4　微流控芯片的基本特征　1.5　微尺度下流體的基本特征　　1.5.1　層流　　1.5.2　傳質(zhì)　　1.5.3　電滲　　1.5.4　傳熱　　1.5.5　相變　1.6　應(yīng)用領(lǐng)域　　1.6.1　化學(xué)　　1.6.2　生物學(xué)和醫(yī)學(xué)　　1.6.3　光學(xué)　　1.6.4　信息學(xué)　參考文獻(xiàn)第2章　芯片材料與芯片制作技術(shù)　2.1　常用微流控芯片材料與性能　2.2　芯片制作環(huán)境　2.3　硅、玻璃和石英芯片的制作　　2.3.1　薄膜材料和沉積技術(shù)　　2.3.2　光刻掩膜的制作方法　　2.3.3　光刻的一般步驟　　2.3.4　腐蝕方法及特性　　2.3.5　去膠方法　2.4　硅、玻璃和石英芯片的打孔方法　2.5　硅、玻璃和石英芯片的封接流程　2.6　硅、玻璃和石英芯片的評(píng)估方法　2.7　高分子聚合物芯片的制作　　2.7.1　熱壓法制作流程　　2.7.2　模塑法制作流程　　2.7.3　注塑法制作流程　　2.7.4　LIGA技術(shù)制作流程　　2.7.5　激光燒蝕法制作流程　　2.7.6　軟光刻法制作流程　2.8　高分子聚合物芯片的打孔方法　2.9　高分子聚合物芯片的封接流程　2.10　高分子聚合物芯片評(píng)估方法　參考文獻(xiàn)第3章　表面改性技術(shù)　3.1　表面改性技術(shù)概述　3.2　玻璃和石英芯片的表面改性　　3.2.1　動(dòng)態(tài)改性　　3.2.2　硅烷化反應(yīng)　3.3　熱塑性聚合物芯片的表面改性　　3.3.1　本體摻雜　　3.3.2　動(dòng)態(tài)改性　　3.3.3　聚合誘導(dǎo)接枝　3.4　固化型聚合物芯片的表面改性　　3.4.1　本體摻雜　　3.4.2　共價(jià)偶聯(lián)　　3.4.3　聚合誘導(dǎo)接枝　　3.4.4　吸附—交聯(lián)　　3.5　表面改性的表征技術(shù)　參考文獻(xiàn)第4章　微流體驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)　4.1　微流體驅(qū)動(dòng)　4.2　機(jī)械驅(qū)動(dòng)　　4.2.1　氣動(dòng)微泵驅(qū)動(dòng)　　4.2.2　離心力驅(qū)動(dòng)　　……第5章　進(jìn)樣和樣品預(yù)處理技術(shù)第6章　微混合和微反應(yīng)技術(shù)第7章　微分離技術(shù)第8章　液滴技術(shù)第9章　檢測(cè)技術(shù)第10章　微流控芯片實(shí)驗(yàn)室在核酸研究中的應(yīng)用第11章　微流控芯片實(shí)驗(yàn)室在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用第12章　微流控芯片實(shí)驗(yàn)室在離子和小分子研究中的應(yīng)用第13章　微流控芯片實(shí)驗(yàn)室在細(xì)胞研究中的應(yīng)用附錄　本書(shū)涉及的量與單位符號(hào)簡(jiǎn)表結(jié)語(yǔ)

章節(jié)摘錄

插圖：

后記

微流控芯片實(shí)驗(yàn)室是一種以在微米尺度的空問(wèn)中對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本功能縮微到一塊幾平方厘米芯片上的能力，它有可能對(duì)人類(lèi)未來(lái)的生活方式或生存質(zhì)量產(chǎn)生影響，這種影響甚至有可能是革命性的。微流控芯片實(shí)驗(yàn)室至少在兩個(gè)方面存在著需求和基礎(chǔ)：一是微型化。從某種意義上來(lái)說(shuō)，微型化是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的一種趨勢(shì)，特別是，面對(duì)我們所生存的已經(jīng)消耗過(guò)度的地球，微型化在一定程度上反映了對(duì)資源的優(yōu)化利用；二是流體的操控。世界上有很多技術(shù)都和流體操控有關(guān)，而當(dāng)被操控的流體在一個(gè)微米尺度的空間里流動(dòng)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)很多現(xiàn)象，其中的很大一部分至今還沒(méi)有被我們所充分認(rèn)識(shí)。微流控芯片實(shí)驗(yàn)室第一輪也是最直接的應(yīng)用領(lǐng)域是分析化學(xué)，特別是生物分析化學(xué)，此后又迅速擴(kuò)展到合成化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)；近幾年則開(kāi)始向光學(xué)和信息學(xué)等領(lǐng)域滲透，充分顯示了它在外延延伸中的潛力。學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界有越來(lái)越多的人認(rèn)為芯片實(shí)驗(yàn)室可能成為現(xiàn)代信息技術(shù)和生命科學(xué)溝通的一座橋梁，并進(jìn)而發(fā)展成為“這一世紀(jì)的技術(shù)”。但是整體而言，現(xiàn)階段微流控芯片實(shí)驗(yàn)室仍處于其整個(gè)發(fā)展階段的前期，還沒(méi)有促成真正意義上的革命。大凡一種技術(shù)的革命，至少需要兩個(gè)條件，一是這種技術(shù)有一個(gè)足夠拓展的外延，有相當(dāng)?shù)母采w面，有子系統(tǒng)，它所產(chǎn)生的影響是長(zhǎng)遠(yuǎn)且?guī)в腥中缘模欢撬陨淼膬?nèi)涵豐富，有深度，有能力形成一個(gè)大規(guī)模集成的功能系統(tǒng)。從戰(zhàn)略上說(shuō)，微流控芯片實(shí)驗(yàn)室具備這兩個(gè)條件，當(dāng)然，條件的完全滿足則需要有一個(gè)過(guò)程。在引發(fā)這樣一場(chǎng)技術(shù)革命的過(guò)程中，至少有兩點(diǎn)可以期待；一是微流控芯片的應(yīng)用會(huì)在不同領(lǐng)域滲透，而其中的一些應(yīng)用將呈現(xiàn)出不同程度的“殺傷性”；二是和微流控芯片相關(guān)的周邊技術(shù)，比如微機(jī)電(MEMS)、納米材料等將在相關(guān)環(huán)節(jié)對(duì)微流控芯片發(fā)展產(chǎn)生重大影響。期待往往是一種動(dòng)力，它推動(dòng)著微流控芯片被更加廣泛普遍的關(guān)注并最終成就為一項(xiàng)大的事業(yè)。

編輯推薦

《圖解微流控芯片實(shí)驗(yàn)室》全面概述芯片實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)單元技術(shù)及其集成，并對(duì)該技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。作者課題組的長(zhǎng)期積累和在這一領(lǐng)域已完成的工作作為基本內(nèi)容和具體案例貫穿全書(shū)。

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