圖解微流控芯片實驗室

前言

去冬今春，科學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)于微流控芯片實驗室的著作，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)注的科學技術(shù)。我們接受了這一邀請。這本新書和作者在2006年7月出版的專著《微流控芯片實驗室》有兩個重要區(qū)別，其一當然是形式，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。這本新書力圖更充分地反映微流控芯片實驗室在剛剛過去兩年的急劇發(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述的芯片實驗室專輯，其中的編者按稱，它有可能成為“這一世紀的技術(shù)”。專著和專輯中七篇評述的作者來自不同的國家，有長期從事微流控芯片研究的積累，在同一時間從不同的角度對同一對象提出了基本一致的看法。其中的要點是：這是一種非常重要的科學技術(shù)，可能會產(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，微流控芯片實驗室的發(fā)展超越了以往的任何一個階段。各國政府競相投入，研究隊伍不斷擴大，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)建為目標的“原始積累”，開始把更多的精力集中于以社會重大需求為背景的應用基礎(chǔ)研究，所有的成果大大豐富充實了這本新書的內(nèi)容。這本書由我們及我們的同事和學生共同完成，參與者的名字列于文前，其中高雁同學作了大量協(xié)調(diào)工作，兢兢業(yè)業(yè)。全書從思想內(nèi)容到邏輯文字都經(jīng)過反復推敲、再三斟酌，并堅持以作者實驗室的工作貫穿始終，字里行間滲透著來自第一線勞作的艱辛。我們希望，這本書能有助于加強廣大讀者對這一科學技術(shù)的進一步了解。感謝科技部“973”、“863”、國家科技支撐計劃項目、國家自然科學基金委員會重點及重大基金項目、中國科學院和大連化學物理研究所創(chuàng)新項目的支持，感謝社會各界和廣大讀者在《微流控芯片實驗室》一書出版后對課題組的諸多關(guān)心和熱情鼓勵。此外，本書引用了國內(nèi)外學者的部分相關(guān)工作。在此一并表示衷心的感謝!

內(nèi)容概要

本書配以豐富、形象的圖表，全面概述芯片實驗室各項單元技術(shù)及其集成，并介紹這一技術(shù)在生命科學中的應用。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)動控制和檢測技術(shù)，樣品處理和進樣技術(shù)，微混合和微反應技術(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)生物學為綱，分別對芯片實驗室技術(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，細胞培養(yǎng)、分選、裂解、內(nèi)涵物測定和基于細胞模型的藥物篩選研究，相互作用研究及其他方面的應用加以描述。作者課題組在這一領(lǐng)域的長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。　　本書可供生命科學、化學及微機電力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)專業(yè)大學生和研究生的輔助教材。此外，本書還可供政府相關(guān)部門的管理人員閱讀參考。

作者簡介

林炳承博士，中國科學院大連化學物理研究所研究員。德國TUbingen大學、比利時布魯塞爾自由大學訪問學者；德國Tubinqen大學、美國Truman州立大學、香港大學、意大利科學院客座教授；德國洪堡基金（AvH）、日本學術(shù)振興會（JSPS）Fellow。第一至七屆全國毛細管電泳大會主席或主席之一。Electrophoresis雜志副主編，Miniaturization in Asia Pacific年刊客座主編。20世紀90年代致力于毛細管電泳研究，近十年來從事微流控芯片實驗室研究，并以生物醫(yī)學和藥學為主要應用對象。著有《微流控芯片實驗室》（科學出版社，2006）等著作。

書籍目錄

序第1章　緒論　1.1　基本概念　1.2　相關(guān)稱謂　　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　應用領(lǐng)域　　1.6.1　化學　　1.6.2　生物學和醫(yī)學　　1.6.3　光學　　1.6.4　信息學　參考文獻第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估方法　參考文獻第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　動態(tài)改性　　3.2.2　硅烷化反應　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　動態(tài)改性　　3.3.3　聚合誘導接枝　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　共價偶聯(lián)　　3.4.3　聚合誘導接枝　　3.4.4　吸附—交聯(lián)　　3.5　表面改性的表征技術(shù)　參考文獻第4章　微流體驅(qū)動與控制技術(shù)　4.1　微流體驅(qū)動　4.2　機械驅(qū)動　　4.2.1　氣動微泵驅(qū)動　　4.2.2　離心力驅(qū)動　　……第5章　進樣和樣品預處理技術(shù)第6章　微混合和微反應技術(shù)第7章　微分離技術(shù)第8章　液滴技術(shù)第9章　檢測技術(shù)第10章　微流控芯片實驗室在核酸研究中的應用第11章　微流控芯片實驗室在蛋白質(zhì)研究中的應用第12章　微流控芯片實驗室在離子和小分子研究中的應用第13章　微流控芯片實驗室在細胞研究中的應用附錄　本書涉及的量與單位符號簡表結(jié)語

章節(jié)摘錄

插圖：

后記

微流控芯片實驗室是一種以在微米尺度的空問中對流體進行操控為主要特征的科學技術(shù)，具有將生物、化學實驗室的基本功能縮微到一塊幾平方厘米芯片上的能力，它有可能對人類未來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。微流控芯片實驗室至少在兩個方面存在著需求和基礎(chǔ)：一是微型化。從某種意義上來說，微型化是人類社會發(fā)展的一種趨勢，特別是，面對我們所生存的已經(jīng)消耗過度的地球，微型化在一定程度上反映了對資源的優(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)，而當被操控的流體在一個微米尺度的空間里流動的時候，會出現(xiàn)很多現(xiàn)象，其中的很大一部分至今還沒有被我們所充分認識。微流控芯片實驗室第一輪也是最直接的應用領(lǐng)域是分析化學，特別是生物分析化學，此后又迅速擴展到合成化學和生物醫(yī)學；近幾年則開始向光學和信息學等領(lǐng)域滲透，充分顯示了它在外延延伸中的潛力。學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界有越來越多的人認為芯片實驗室可能成為現(xiàn)代信息技術(shù)和生命科學溝通的一座橋梁，并進而發(fā)展成為“這一世紀的技術(shù)”。但是整體而言，現(xiàn)階段微流控芯片實驗室仍處于其整個發(fā)展階段的前期，還沒有促成真正意義上的革命。大凡一種技術(shù)的革命，至少需要兩個條件，一是這種技術(shù)有一個足夠拓展的外延，有相當?shù)母采w面，有子系統(tǒng)，它所產(chǎn)生的影響是長遠且?guī)в腥中缘?；二是它自身的?nèi)涵豐富，有深度，有能力形成一個大規(guī)模集成的功能系統(tǒng)。從戰(zhàn)略上說，微流控芯片實驗室具備這兩個條件，當然，條件的完全滿足則需要有一個過程。在引發(fā)這樣一場技術(shù)革命的過程中，至少有兩點可以期待；一是微流控芯片的應用會在不同領(lǐng)域滲透，而其中的一些應用將呈現(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)，比如微機電(MEMS)、納米材料等將在相關(guān)環(huán)節(jié)對微流控芯片發(fā)展產(chǎn)生重大影響。期待往往是一種動力，它推動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大的事業(yè)。

編輯推薦

《圖解微流控芯片實驗室》全面概述芯片實驗室各項單元技術(shù)及其集成，并對該技術(shù)在生命科學中的應用進行介紹。作者課題組的長期積累和在這一領(lǐng)域已完成的工作作為基本內(nèi)容和具體案例貫穿全書。

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