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第1章 绪论1

1.1微流控芯片的研究背景1

1.2微流控芯片的战略意义2

1.3林林总总的微流控芯片实验室2

1.4基于微流控芯片的微流体力学4

1.5纳流动和纳流控芯片5

1.6微流控芯片和产业转型5

参考文献6

第2章 一般芯片材料与芯片制作技术7

2.1常用微流控芯片材料与性能7

2.2芯片制作环境9

2.3硅、玻璃和石英芯片的制作和评估10

2.3.1薄膜材料和沉积技术10

2.3.2光刻掩模的制作10

2.3.3光刻的一般步骤11

2.3.4腐蚀方法及特性12

2.3.5去胶13

2.3.6打孔13

2.3.7封接13

2.3.8硅、玻璃和石英芯片的评估（案例一）15

2.4高分子聚合物芯片的制作和评估17

2.4.1热压法17

2.4.2模塑法17

2.4.3注塑法19

2.4.4 LIGA技术19

2.4.5激光烧蚀法20

2.4.6软光刻法20

2.4.7打孔22

2.4.8封接22

2.4.9高分子聚合物芯片评估（案例二）22

2.5水凝胶聚合物芯片的研制（案例三）24

2.5.1水凝胶24

2.5.2水凝胶立体微图案25

2.5.3水凝胶立体微图案用于细胞培养26

2.5.4水凝胶平面微图案27

2.5.5以水凝胶为基础材料的微流控芯片30

2.5.6水凝胶芯片中细胞共培养32

参考文献33

第3章 纸质芯片材料与芯片制作技术36

3.1纸质微流控芯片36

3.2二维微流控纸芯片的制作37

3.2.1光刻法37

3.2.2绘图法37

3.2.3打印法38

3.2.4其他制作方法38

3.3三维纸质微流控芯片的制作39

3.3.1双面粘贴法39

3.3.2折叠压紧法39

3.3.3喷胶粘贴法40

3.4纸质微流控芯片的检测40

3.4.1比色检测40

3.4.2电化学检测40

3.4.3化学发光检测41

3.4.4电化学发光检测41

3.4.5免疫检测42

3.5喷蜡打印硝酸纤维素膜纸质微流控芯片研制（案例一）43

3.5.1硝酸纤维素膜43

3.5.2喷蜡打印制备硝酸纤维素膜纸芯片流程44

3.5.3喷蜡打印制备硝酸纤维素膜纸芯片条件优化45

3.5.4硝酸纤维素膜纸芯片的性能考察45

3.5.5硝酸纤维素膜纸芯片在蛋白质包被中的应用48

3.6以硝酸纤维素膜纸芯片为基质研制液塑PDMS芯片（案例二）49

3.6.1用硝酸纤维素膜纸芯片液塑制备PDMS芯片的流程50

3.6.2用硝酸纤维素膜纸芯片制备PDMS微孔51

3.6.3用硝酸纤维素膜纸芯片制备PDMS微通道51

参考文献53

第4章 微流体控制与驱动技术56

4.1微流体控制56

4.1.1电渗控制56

4.1.2微阀控制58

4.2微流体驱动63

4.2.1气动微泵驱动63

4.2.2电渗驱动65

4.2.3离心力驱动66

4.2.4单步往复流离心力驱动系统（案例一）67

4.3微阀微泵驱动控制（案例二）69

4.3.1芯片的制备69

4.3.2微阀微泵的程序控制71

4.3.3微泵微阀驱动控制的穿梭流混合效果验证72

参考文献73

第5章 进样及样品前处理技术75

5.1进样75

5.1.1单通道辅助进样（案例一）75

5.1.2多通道辅助进样（案例二）80

5.2样品前处理82

5.2.1固相萃取（案例三A，B）82

5.2.2等速电泳（案例四）92

5.2.3膜分离（案例五）93

参考文献97

第6章 微混合和微反应技术99

6.1微混合和微混合器99

6.1.1微混合99

6.1.2微混合器100

6.2微化学反应和微化学反应器108

6.2.1微化学反应器的基本特征108

6.2.2不同的通道型微化学反应器108

6.3微型生物反应Ⅰ——聚合酶链反应112

6.3.1聚合酶链反应112

6.3.2集成微加热器/温度传感器PCR-CE芯片研制与性能考察（案例一）113

6.3.3集成PCR-CE芯片在乙肝病毒DNA分析中应用（案例二）116

6.3.4液滴数字PCR技术120

6.4微型生物反应Ⅱ——免疫反应120

6.4.1免疫反应120

6.4.2酶免疫电泳芯片分析盐酸克伦特罗（案例三）121

6.4.3 PDMS固相载体/微阀（泵）芯片分析盐酸克伦特罗（案例四）122

6.4.4微珠免疫芯片分析睾酮（案例五）125

参考文献128

第7章 微分离技术130

7.1芯片分离的若干特点130

7.2电泳分离的基本问题131

7.2.1电泳的谱带迁移132

7.2.2电泳的谱带展宽132

7.3芯片电泳分离常见模式132

7.3.1一维芯片电泳（案例一A，B，C，D）132

7.3.2多维芯片电泳（案例二）147

参考文献151

第8章 微液滴技术153

8.1微流控芯片液滴153

8.2微流控芯片液滴的特点154

8.3微流控芯片液滴生成及其操控（案例一A）155

8.3.1基于“T”形结构芯片的液滴生成155

8.3.2基于“T”形结构微流控芯片液滴生成过程的操控156

8.3.3基于“流动聚焦”结构芯片的液滴生成160

8.3.4基于“流动聚焦”结构微流控芯片液滴生成的操控160

8.4微流控芯片液滴运行及其操控（案例一B）167

8.4.1液滴内部的混合167

8.4.2液滴融合170

8.4.3液滴分裂173

8.4.4液滴分选173

8.4.5液滴捕获和存储175

8.4.6液滴身份标记175

8.5基于气动微阀的液滴操控（案例二）177

8.5.1微阀控制装置的设计和研制177

8.5.2微阀控制液滴生成178

8.5.3微阀控制液滴大小178

8.5.4微阀控制不同组成液滴生成181

8.5.5微阀控制液滴融合183

8.6基于电控的液滴破裂和液滴内涵物提取（案例三）184

8.6.1电控液滴破裂184

8.6.2电控液滴内涵物提取186

8.7微流控芯片数字液滴187

8.7.1电润湿现象和数字液滴187

8.7.2数字液滴芯片结构189

8.7.3数字液滴的一般操控190

8.7.4数字液滴的初级智能操控（案例四）191

参考文献194

第9章 检测技术196

9.1微流控芯片对检测的特殊要求196

9.2微流控芯片检测分类197

9.3激光诱导荧光检测197

9.3.1常规单通道激光诱导荧光检测（案例一A）199

9.3.2常规多通道激光诱导荧光检测（案例一B）200

9.3.3光电倍增管扫描检测（案例一C）201

9.3.4微型化激光诱导荧光检测示例203

9.4紫外吸收光度检测204

9.4.1紫外吸收光度检测芯片的特殊要求205

9.4.2单点紫外吸收光度检测207

9.4.3全通道成像紫外吸收光度检测208

9.4.4紫外吸收检测微流控芯片仪的研制和性能考察（案例二）209

9.5化学发光检测212

9.5.1单通道化学发光检测213

9.5.2多通道化学发光检测（案例三）213

9.6电化学检测214

9.6.1安培检测（案例四）215

9.6.2电导检测218

9.6.3电势检测220

9.6.4复合式电化学检测220

9.7质谱检测221

9.7.1芯片与质谱的接口222

9.7.2芯片/质谱应用（案例五）225

9.8等离子体发射光谱检测226

9.9热透镜检测227

9.10生物传感器检测228

9.11单分子荧光检测230

9.12各种检测方法一览231

参考文献232

第10章 微流控芯片在核酸研究中的应用235

10.1基因突变检测235

10.1.1点突变检测235

10.1.2基因重排检测240

10.1.3基因甲基化检测241

10.2基因分型242

10.2.1单核苷酸多态性检测242

10.2.2短串联重复序列多态性检测246

10.3 DNA测序250

10.4 SARS病毒和乙肝病毒的病原体基因检测（案例一，二）252

10.4.1 SARS病毒病原体基因检测（案例一）252

10.4.2乙肝病毒（HBV）病原体基因检测（案例二）254

10.5苯丙酮尿症的产前筛查和早期诊断（案例三）255

10.6微流控芯片DNA计算及其应用258

10.6.1 DNA计算及DNA计算机258

10.6.2三角形识别的微流控芯片DNA计算（案例四）259

10.6.3抗乳腺癌基因药物合成的微流控芯片DNA计算（案例五）261

参考文献265

第11章 微流控芯片在蛋白质研究中的应用268

11.1微流控芯片蛋白质分析技术268

11.1.1蛋白质样品预处理269

11.1.2蛋白质分离280

11.2微流控芯片在蛋白质分析中的应用284

11.2.1蛋白质性质鉴定284

11.2.2蛋白质结构分析285

11.2.3蛋白质功能研究（案例一，二，三）288

11.2.4蛋白质实际样品分析295

参考文献296

第12章 微流控芯片在离子和小分子研究中的应用299

12.1离子299

12.1.1离子分析流程299

12.1.2离子分离模式301

12.2手性分子304

12.2.1基本概念304

12.2.2手性拆分304

12.2.3手性合成307

12.2.4手性合成-手性拆分集成307

12.3代谢物309

12.3.1代谢物的一般分析方法309

12.3.2代谢物的分析应用310

12.4药物代谢物检测及毒性评价研究（案例）313

12.4.1芯片的设计与研制314

12.4.2芯片细胞培养和肝微粒体的固定316

12.4.3药物代谢物检测及代谢物诱导细胞毒效评价316

参考文献318

第13章 微流控芯片在细胞研究中的应用320

13.1细胞的微流控芯片320

13.2细胞研究中的微流控芯片单元技术322

13.2.1细胞培养322

13.2.2细胞分选322

13.2.3细胞捕获325

13.2.4细胞裂解328

13.3微流控芯片在细胞研究中的应用329

13.3.1细胞状态研究329

13.3.2细胞功能研究330

13.3.3细胞组分研究331

13.4抗肿瘤药物诱导细胞凋亡（案例一）333

13.4.1细胞凋亡分析微流控芯片设计与制作333

13.4.2阿霉素对肝癌细胞活性的影响335

13.4.3阿霉素诱导肝癌细胞凋亡336

13.5抗肿瘤药物高内涵筛选（案例二）339

13.5.1高内涵筛选微流控芯片设计与制作340

13.5.2微流控芯片抗肿瘤药物高内涵筛选340

13.5.3抗肿瘤药物高内涵筛选结果344

13.6肿瘤微环境构建及肿瘤侵袭研究（案例三A）345

13.6.1三维细胞培养微流控芯片的设计和制备346

13.6.2三维基质内浓度梯度的生成347

13.6.3三维培养肿瘤细胞形态和活性的检测347

13.6.4 EGF诱导的肿瘤细胞在三维基质内的迁移348

13.7肿瘤细胞与间质细胞三维共培养及侵袭研究（案例三B）349

13.7.1细胞三维共培养微流控芯片的设计制备349

13.7.2肿瘤细胞球的形成350

13.7.3 CAF诱导的肿瘤细胞球的侵袭351

13.7.4 GM6001抑制CAF诱导的肿瘤细胞球的侵袭351

13.8甲酰肽受体激动剂筛选（案例四）353

13.8.1甲酰肽受体介导的细胞趋化分析354

13.8.2甲酰肽受体内吞分析355

13.8.3甲酰肽受体介导的钙离子释放分析357

13.8.4甲酰肽受体激动剂筛选结果358

13.9软骨组织培养以及不同生长因子的繁殖促进作用研究（案例五）358

参考文献361

第14章 微流控芯片在模式生物（线虫）研究中的应用362

14.1线虫的基本特征362

14.2用于线虫神经生物学研究的微流控芯片技术364

14.2.1通道微流控芯片364

14.2.2液滴微流控芯片366

14.3基于微流控芯片平台的线虫神经生物学研究367

14.3.1线虫行为研究367

14.3.2线虫神经系统研究369

14.4基于通道微流控芯片的神经毒素诱导线虫行为研究（案例一）372

14.4.1神经毒素诱导的单线虫神经元特征研究372

14.4.2神经毒素诱导的单线虫运动及神经元特征研究374

14.5基于液滴微流控芯片的神经毒素诱导下单个线虫运动行为研究（案例二）378

14.5.1单个线虫运动行为研究的液滴微流控芯片378

14.5.2神经毒素MPP+诱导下的单个线虫运动行为研究383

14.6基于液滴微流控芯片的线虫帕金森病药理学模型研究（案例三）385

14.6.1线虫帕金森病药理学模型研究的液滴微流控芯片385

14.6.2对帕金森病药理学模型线虫三种参数的同步研究392

参考文献395

第15章 微流控芯片在微纳材料研究中的应用397

15.1纳米材料和纳米颗粒397

15.1.1金属纳米颗粒397

15.1.2半导体纳米颗粒398

15.1.3氧化物纳米颗粒400

15.1.4杂化纳米颗粒401

15.2羟基磷灰石纳米颗粒的液滴芯片合成（案例一）403

15.2.1芯片的设计和制作403

15.2.2液滴的生成、融合404

15.2.3羟基磷灰石的合成、表征404

15.3微米材料和微米颗粒406

15.3.1无机微球颗粒407

15.3.2固态聚合物微球颗粒407

15.3.3 Janus颗粒410

15.3.4杂化微米Janus颗粒412

15.3.5核-壳结构颗粒413

15.3.6不同形貌颗粒415

15.4基于液滴的微球在线合成和可控组装（案例二）416

15.4.1芯片设计和制作417

15.4.2微球的在线合成和组装419

15.4.3参数控制419

15.5基于双乳液的形貌可控微颗粒合成（案例三）423

15.5.1芯片设计和制作424

15.5.2微颗粒形貌控制的原理425

15.5.3微颗粒的形貌调节426

15.5.4微颗粒三维结构的考察427

15.6基于液滴微流控芯片的新型水凝胶微胶囊的制备（案例四）429

15.6.1芯片设计和制备430

15.6.2新型水凝胶微胶囊的制备430

15.6.3新型微胶囊的性能考察431

参考文献433

索引435

后记441