自動(dòng)分析技術(shù)微型全分析系統(tǒng)

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1、第七章自動(dòng)分析技術(shù)/微型全分析系統(tǒng)7.1導(dǎo)言7.2流動(dòng)注射分析7.3微型全分析系統(tǒng)7.4微流控分析芯片加工技術(shù)7.5微流控分析芯片的應(yīng)用微 流 控 分 析 芯 片 ， 方 肇 倫 等 編 著 ， 科 學(xué) 出 版 社 ， 2003 7.1導(dǎo)言傳 統(tǒng) 的 化 學(xué) 分 析 方 法 是 手 工 分 析 ， 至 今 仍 被 廣 泛 應(yīng) 用 。 手 工 分 析的 缺 點(diǎn) 是 手 續(xù) 繁 雜 、 速 度 慢 ， 分 析 結(jié) 果 與 分 析 人 員 的 技 術(shù) 水 平 和熟 練 程 度 有 關(guān) ， 還 不 可 避 免 地 使 分 析 人 員 長(zhǎng) 時(shí) 間 接 觸 化 學(xué) 藥 品 ，嚴(yán) 重 影 響 健 康 。為

2、了 克 服 這 些 缺 點(diǎn) ， 幾 十 年 來(lái) ， 人 們 根 據(jù) 不 同 的 分 析 要 求 ， 模 擬手 工 分 析 的 程 序 設(shè) 計(jì) 了 各 種 各 樣 的 機(jī) 械 程 序 分 析 裝 置 ， 用 機(jī) 械 操作 代 替 手 工 操 作 ， 給 分 析 工 作 者 減 輕 了 許 多 負(fù) 擔(dān) ， 分 析 速 度 、 準(zhǔn)確 度 、 精 度 也 有 了 一 定 的 提 高 。 但 這 類 程 序 分 析 器 一 般 只 適 于 分析 一 兩 種 特 定 組 分 ， 通 用 性 差 。 1950s， “ 連 續(xù) 流 動(dòng) 分 析 ” 技 術(shù) 發(fā) 展 起 來(lái) 了 。 它 的 基 本 方 法 是 把

3、 各種 化 學(xué) 分 析 所 要 用 的 試 劑 和 試 樣 按 一 定 的 順 序 和 比 例 用 管 道 和泵 輸 送 到 一 定 的 反 應(yīng) 區(qū) 域 ， 進(jìn) 行 混 合 ， 完 成 化 學(xué) 反 應(yīng) ， 最 后 經(jīng) 檢測(cè) 器 檢 測(cè) 并 由 記 錄 儀 顯 示 分 析 結(jié) 果 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 管 道 化 的 自 動(dòng) 連 續(xù) 分析 。 但 這 些 分 析 仍 建 立 在 化 學(xué) 平 衡 的 基 礎(chǔ) 上 ， 速 度 受 到 限 制 。丹 麥 技 術(shù) 大 學(xué) 的 J.Ruzicka 和 E.H.Hansen于 1975年 提 出 了 流 動(dòng) 注射 分 析 (Flow Injection Analy

4、sis， FIA)的 新 概 念 。 把 試 樣 溶 液 直接 以 “ 試 樣 塞 ” 的 形 式 注 入 到 管 道 的 試 劑 載 流 中 ， 不 需 反 應(yīng) 進(jìn) 行 完全 ， 就 可 以 進(jìn) 行 檢 測(cè) 。 擺 脫 了 傳 統(tǒng) 的 必 須 在 穩(wěn) 態(tài) 條 件 下 操 作 的 觀念 ， 提 出 化 學(xué) 分 析 可 在 非 平 衡 的 動(dòng) 態(tài) 條 件 下 進(jìn) 行 ， 從 而 大 大 提 高了 分 析 速 度 。 一 般 可 達(dá) 每 小 時(shí) 進(jìn) 樣 100300次 。 從 樣 品 注 入 到 檢測(cè) 器 響 應(yīng) 的 時(shí) 間 間 隔 一 般 小 于 1 min。 設(shè) 備 較 簡(jiǎn) 單 并 靈 活 ，

5、 操 作 簡(jiǎn)便 ， 啟 動(dòng) 和 關(guān) 機(jī) 時(shí) 間 僅 需 幾 分 鐘 ， 因 此 FIA技 術(shù) 不 僅 適 于 大 批 量的 常 規(guī) 分 析 ， 也 適 于 少 量 非 常 規(guī) 樣 品 的 自 動(dòng) 測(cè) 定 。 FIA是 一 種 良 好 的 微 量 分 析 技 術(shù) ， 一 般 每 次 測(cè) 定 僅 需 25100 L樣 品 溶 液 。 由 于 樣 品 與 試 劑 用 量 甚 微 ， 又 在 封 閉 系 統(tǒng) 中 完成 測(cè) 定 ， 因 此 極 大 地 降 低 了 對(duì) 人 體 的 毒 害 和 對(duì) 環(huán) 境 的 污 染 ?，F(xiàn)代分析化學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)是向現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高靈敏度、高選擇性、高通量的方向發(fā)展！199

6、0s初期發(fā)展起來(lái)的微全分析系統(tǒng)(微流控芯片、生物芯片和芯片實(shí)驗(yàn)室)為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了可能性。 7.2流動(dòng)注射分析7.2.1 流動(dòng)注射分析的基本原理7.2.1.1 受 控 擴(kuò) 散 和 定 時(shí) 重 現(xiàn)流 動(dòng) 注 射 分 析 常 在 對(duì) 流 和 徑 向 擴(kuò) 散 兩 種 分 散 共 存 的 情 況 下 進(jìn) 行 。當(dāng) 樣 品 通 過(guò) 流 通 池 時(shí) ， 檢 測(cè) 器 所 記 錄 的 是 連 續(xù) 變 化 的 信 號(hào) ， 可以 是 吸 光 度 ， 電 極 電 勢(shì) 或 其 他 物 理 參 數(shù) ， 因 而 不 需 要 達(dá) 到 化 學(xué)平 衡 。 圖 7.1 對(duì) 流 和 擴(kuò) 散 作 用(a)無(wú) 分 散 ； (b)對(duì)

7、 流 引 起 的 分 散 ； (c)對(duì) 流 和 徑 向 擴(kuò) 散 引 起的 分 散 ； (d)徑 向 擴(kuò) 散 引 起 的 分 散 例 如 ， 以 分 光 光 度 法 測(cè) 定 Cl-， 所 基 于 的 反 應(yīng) 是 ：- -2 2Hg(SCN) +2Cl HgCl +2SCN3+ - 2+Fe + SCN Fe(SCN)圖 7.2 流 動(dòng) 注 射 測(cè) 定 Cl -(a)流 路 設(shè) 計(jì) 圖 ； (b)5-75 gmL-1的 平 行 測(cè) 定 ； (c) 30 gmL-1和 75 gmL-1樣 品 的 快 速 掃 描 。 這 些 實(shí) 驗(yàn) 清 楚 地 顯 示 了 FIA的 基 本 特 點(diǎn) ： 在 樣 品 通

8、 過(guò) 分 析 流 路時(shí) ， 以 完 全 相 同 的 方 法 順 序 處 理 所 有 的 樣 品 。 即 對(duì) 一 個(gè) 樣 品 如何 處 理 ， 對(duì) 其 他 任 何 樣 品 也 以 完 全 相 同 的 方 法 進(jìn) 行 處 理 。 流 動(dòng)注 射 體 系 中 準(zhǔn) 確 體 積 樣 品 的 注 入 、 重 現(xiàn) 和 精 確 的 定 時(shí) 進(jìn) 樣 以 及從 注 入 點(diǎn) 到 檢 測(cè) 點(diǎn) 體 系 的 完 全 相 同 的 操 作 （ 所 謂 控 制 或 可 控 分散 ） ， 形 成 注 入 樣 品 的 濃 度 梯 度 ， 從 而 產(chǎn) 生 瞬 間 的 、 但 可 精 確重 現(xiàn) 的 記 錄 信 號(hào) ， 使 得 流 路 中

9、 的 任 何 一 點(diǎn) 都 能 像 穩(wěn) 態(tài) 一 樣 準(zhǔn) 確測(cè) 量 。 一 般 用 峰 值 作 為 分 析 信 號(hào) ， 可 以 獲 得 較 高 的 靈 敏 度 。 7.2.1.2 分 散 系 數(shù)為 了 合 理 地 設(shè) 計(jì) FIA體 系 ， 需 要 知 道 原 始 樣 品 溶 液 在 它 流 到 檢 測(cè)器 的 途 中 稀 釋 的 程 度 ， 以 及 從 樣 品 注 入 到 讀 數(shù) 消 耗 了 多 長(zhǎng) 時(shí) 間 。定 義 分 散 系 數(shù) (dispersion coefficient, D)為D c0/c (D 0) (7.1)式 中 c0為 注 入 樣 品 中 分 析 物 的 濃 度 ， c為 檢 測(cè)

10、 器 中 分 析 物 的 濃 度 。分 散 系 數(shù) 主 要 受 三 種 相 互 作 用 且 可 以 控 制 的 變 量 的 影 響 ， 即 樣 品體 積 、 管 的 長(zhǎng) 度 和 流 動(dòng) 速 度 。 設(shè) 計(jì) FIA體 系 時(shí) ， 需 根 據(jù) 實(shí) 驗(yàn) 目 的 綜 合 考 慮 各 種 因 素 的 影 響 ， 以確 定 最 佳 流 路 。 例 如 ， 建 立 的 FIA系 統(tǒng) 是 用 于 常 規(guī) 大 批 量 分 析 的 ，那 么 提 高 分 析 速 度 、 增 加 進(jìn) 樣 頻 率 就 是 要 考 慮 的 主 要 方 面 ， 就 應(yīng)當(dāng) 減 少 進(jìn) 樣 體 積 ， 縮 短 管 長(zhǎng) ， 提 高 流 速 。分

11、 散 系 數(shù) 大 致 可 分 為 4種 情 況 ： 有 限 的 （ D=13） 、 中 度 的 （ D=310） 、 高 度 的 （ D10） 以 及 減 小 的 （ D1） 。 相 應(yīng) 設(shè) 計(jì) 的 FIA體系 已 被 用 于 各 種 各 樣 的 分 析 任 務(wù) 。 當(dāng) 注 入 的 樣 品 以 未 被 稀 釋 的 形式 被 運(yùn) 載 到 檢 測(cè) 器 時(shí) ， 采 用 的 是 有 限 分 散 ， 也 就 是 將 FIA體 系 用作 將 樣 品 嚴(yán) 格 而 準(zhǔn) 確 地 運(yùn) 載 到 檢 測(cè) 裝 置 （ 如 離 子 選 擇 電 極 、 原 子吸 收 分 光 光 度 計(jì) 等 ） 的 工 具 。 當(dāng) 待 測(cè)

12、物 必 須 與 載 液 混 合 并 發(fā) 生 反應(yīng) ， 以 形 成 要 檢 測(cè) 的 產(chǎn) 物 時(shí) 采 用 中 度 分 散 。 只 有 當(dāng) 樣 品 必 須 被 稀釋 到 測(cè) 量 范 圍 內(nèi) 時(shí) 才 應(yīng) 用 高 度 分 散 。 減 小 的 分 散 意 味 著 檢 測(cè) 的 樣品 濃 度 高 于 注 入 的 樣 品 濃 度 ， 即 發(fā) 生 了 在 線 預(yù) 濃 縮 （ 例 如 通 過(guò) 離子 交 換 柱 或 經(jīng) 過(guò) 共 沉 淀 等 ） 。 7.2.2 流動(dòng)注射分析儀的基本組成FIA儀一般由流體驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)樣閥、反應(yīng)管道和檢測(cè)器組成。7.2.2.1 流 體 驅(qū) 動(dòng) 單 元 圖 7.3 單 管 路 蠕 動(dòng) 泵 示

13、 意 圖 在 流 動(dòng) 注 射 體 系 中 ， 最 常 見(jiàn) 的 是 用 蠕 動(dòng) 泵 驅(qū) 動(dòng) 溶 液 。 圖 7.3表 明了 蠕 動(dòng) 泵 的 操 作 原 理 。蠕 動(dòng) 泵 一 般 都 有 810個(gè) 排 列 成 圓 圈 的 滾 軸 ， 通 過(guò) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 滾 軸 將液 體 壓 進(jìn) 塑 料 或 橡 膠 管 。 流 速 由 馬 達(dá) 的 轉(zhuǎn) 速 和 管 子 的 內(nèi) 徑 控 制 。若 固 定 蠕 動(dòng) 泵 的 旋 轉(zhuǎn) 速 度 , 流 速 就 由 每 個(gè) 管 子 的 內(nèi) 徑 決 定 。 商 品化 的 管 子 具 有 0.254mm的 內(nèi) 徑 ， 允 許 流 速 最 小 為 0.0005 mL/min，最 大 為

14、 40 mL/min。 蠕 動(dòng) 泵 可 以 進(jìn) 行 幾 個(gè) 管 子 的 同 時(shí) 操 作 ， 特 別適 于 應(yīng) 用 多 種 試 劑 但 又 不 能 預(yù) 先 混 合 的 情 況 。 FIA也 可 以 用 活 塞泵 ， 但 價(jià) 格 較 貴 ， 且 只 允 許 單 流 路 傳 送 ， 對(duì) 于 多 路 管 線 ， 則 需幾 個(gè) 單 獨(dú) 的 泵 。 7.2.2.2 進(jìn) 樣 閥進(jìn) 樣 閥 (valve for injection)又 稱 采 樣 閥 、 注 入 閥 或 注 射 閥 。 用得 最 多 、 且 效 果 最 令 人 滿 意 的 是 類 似 于 高 效 液 相 色 譜 （ HPLC）中 所 用 的

15、旋 轉(zhuǎn) 式 六 通 閥 。 注 入 樣 品 的 體 積 可 以 為 5 200 L， 典型 的 是 1030 L， 用 具 有 適 當(dāng) 長(zhǎng) 度 和 內(nèi) 徑 的 外 部 環(huán) 管 計(jì) 量 。 這種 “ 塞 式 ” 注 入 的 進(jìn) 樣 方 式 對(duì) 載 流 流 動(dòng) 干 擾 很 小 ， 取 樣 和 注 入 過(guò)程 均 可 精 確 重 復(fù) 。 7.2.2.3 反 應(yīng) 管 道在 FIA管 線 中 所 用 的 導(dǎo) 管 多 數(shù) 是 由 細(xì) 孔 徑 的 聚 乙 烯 管 和 聚 四 氟 乙烯 管 組 成 ， 典 型 的 內(nèi) 徑 為 0.50.8 mm。 反 應(yīng) 管 道 (reaction pipeline)通 常 是

16、 盤 繞 著 的 ， 可 以 增 強(qiáng) 徑 向 擴(kuò) 散 、 減 小 軸 向 擴(kuò) 散 ， 減 弱 試 樣 塞增 寬 的 程 度 而 導(dǎo) 致 更 對(duì) 稱 的 峰 ， 獲 得 較 高 的 靈 敏 度 ， 而 且 可 以 提 高進(jìn) 樣 頻 率 。 如 果 在 反 應(yīng) 管 道 內(nèi) 填 充 直 徑 為 管 道 內(nèi) 徑 60%的 玻 璃 球 ，則 稱 為 單 珠 串 反 應(yīng) 器 ， 用 這 種 管 道 可 以 得 到 十 分 對(duì) 稱 的 峰 形 ， 而 分散 程 度 比 同 規(guī) 格 內(nèi) 徑 的 敞 口 直 管 反 應(yīng) 器 的 分 散 度 小 10倍 。為 了 連 接 管 道 ， 并 使 液 流 按 需 要 分

17、 支 或 集 合 ， 經(jīng) 常 使 用 被 稱 為 “ 化學(xué) 塊 ” 或 “ 功 能 組 合 塊 ” 的 裝 置 。 在 “ 化 學(xué) 塊 ” 的 管 道 連 接 處 可 以 產(chǎn) 生“ 徑 向 效 應(yīng) ” ， 使 試 樣 與 試 劑 有 效 地 混 合 ， 因 而 提 高 進(jìn) 樣 頻 率 和 分 析靈 敏 度 。 7.2.2.4 檢 測(cè) 器FIA實(shí) 際 上 可 以 與 任 何 類 型 的 檢 測(cè) 器 (probe unit)相 匹 配 , 這 也 是FIA取 得 很 大 成 功 的 原 因 之 一 。 例 如 AAS、 AES、 分 光 光 度 計(jì) 、熒 光 光 度 計(jì) 、 電 化 學(xué) 系 統(tǒng) 、

18、 折 射 儀 等 。帶 流 通 式 液 槽 的 分 光 光 度 計(jì) 檢 測(cè) 器 是 FIA中 用 得 最 多 的 。 流 通 池和 一 般 吸 收 池 的 區(qū) 別 在 于 ： 流 通 池 是 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 定 ， 吸 收 池 是 靜 態(tài) 測(cè)定 。 除 了 為 獲 得 一 定 的 靈 敏 度 而 要 求 有 足 夠 的 光 程 外 ， 還 要 求 流通 池 體 積 盡 可 能 小 ， 以 便 減 少 載 流 量 、 試 劑 量 、 試 樣 量 ， 并 提 高分 析 速 度 。 在 液 體 流 通 的 區(qū) 域 內(nèi) 要 避 免 死 角 ， 以 避 免 試 樣 殘 余 液滯 留 于 死 角 區(qū) 影 響

19、重 現(xiàn) 性 ， 或 截 留 氣 泡 而 干 擾 測(cè) 定 。下 圖 為 兩 種 常 用 的 玻 璃 或 石 英 流 通 池 。 然 而 ， 用 泵 輸 送 載 流 通過(guò) 分 光 光 度 計(jì) 的 做 法 遠(yuǎn) 不 如 把 光 束 從 分 光 光 度 計(jì) 引 入 流 動(dòng) 注 射分 析 系 統(tǒng) ， 然 后 再 返 回 光 度 計(jì) 更 為 合 理 。 因 而 在 最 近 的 設(shè) 計(jì) 中 ，廣 泛 地 使 用 了 光 導(dǎo) 纖 維 。 這 樣 ， 可 以 將 流 通 池 和 微 管 道 結(jié) 合 在 一 起 ， 進(jìn) 行 吸 光 度 測(cè) 定 或 熒 光 檢 測(cè) 。 圖 7.4 發(fā) 光 光 度 法 中 的 流 通

20、池(a)固 定 在 多 數(shù) 商 品 光 度 計(jì) 上 的 Hellma池 ；(b)Z型 池 ， 其 中 A為 透 明 窗 ， 并 為 聚 四 氟乙 烯 池 體 ， C為 池 套 ， CH為 入 口 通 道 。 圖 7.5 離 子 選 擇 性 電 極 流 通 池(a)射 流 壁 式 結(jié) 構(gòu) 流 通 池 ； (b)梯 流 式 結(jié) 構(gòu)流 通 池 7.2.3 FIA技術(shù)與應(yīng)用7.2.3.1 用 于 重 復(fù) 的 和 精 確 的 樣 品 傳 送 （ 有 限 分 散 的 應(yīng) 用 ）由 于 FIA固 有 的 嚴(yán) 格 定 時(shí) 性 ， 可 以 用 此 項(xiàng) 技 術(shù) 將 給 定 的 樣 品 精 確而 重 復(fù) 地 傳 遞

21、 到 檢 測(cè) 器 ， 從 而 保 證 每 一 個(gè) 測(cè) 量 循 環(huán) 過(guò) 程 中 所 有 的條 件 嚴(yán) 格 保 持 一 致 。例 如 ， 當(dāng) 火 焰 原 子 吸 收 光 譜 、 原 子 發(fā) 射 光 譜 或 電 感 耦 合 等 離 子 體原 子 發(fā) 射 光 譜 與 FIA結(jié) 合 時(shí) ， 樣 品 的 等 分 試 樣 被 直 接 吸 入 火 焰 或等 離 子 體 , 這 些 分 析 儀 器 的 性 能 就 會(huì) 獲 得 改 善 ， 且 在 某 些 情 況 下被 大 大 加 強(qiáng) 。 與 傳 統(tǒng) 的 樣 品 溶 液 吸 入 法 相 比 ， 可 以 提 高 進(jìn) 樣 頻 率 ，進(jìn) 樣 速 率 可 達(dá) 300樣 /

22、h。 更 重 要 的 是 ， 在 一 般 吸 入 一 個(gè) 樣 品 的 時(shí) 間內(nèi) 可 以 分 別 注 入 兩 份 樣 品 ， 這 意 味 著 FIA法 不 僅 能 提 高 精 度 ， 也 能改 善 準(zhǔn) 確 度 。 另 一 個(gè) 優(yōu) 點(diǎn) 是 樣 品 與 檢 測(cè) 器 接 觸 的 時(shí) 間 非 常 短 ， 其 余 的 時(shí) 間 可 以 用 載 液 清 洗 檢 測(cè) 器 。 這 意 味 著 有 高 的 清 洗 -進(jìn) 樣 比 ， 因此 可 以 大 大 地 減 少 或 消 除 由 高 濃 度 鹽 造 成 的 燃 燒 器 堵 塞 的 機(jī) 會(huì) 。 7.2.3.2 FIA轉(zhuǎn) 換 技 術(shù) （ 中 度 分 散 的 應(yīng) 用 ）

23、FIA轉(zhuǎn) 換 技 術(shù) (conversion techniques)可 以 被 定 義 為 ： 借 助 適 當(dāng)?shù)?樣 品 預(yù) 處 理 、 試 劑 生 成 或 基 體 改 性 ， 通 過(guò) 動(dòng) 力 學(xué) 控 制 的 化 學(xué)反 應(yīng) 使 不 能 被 檢 測(cè) 的 物 質(zhì) 轉(zhuǎn) 化 成 可 被 檢 測(cè) 的 成 分 的 過(guò) 程 。在 這 類 FIA體 系 中 ， 分 散 應(yīng) 當(dāng) 足 夠 快 ， 以 使 樣 品 和 試 劑 部 分 混合 ， 發(fā) 生 反 應(yīng) ， 但 又 不 過(guò) 度 分 散 ， 以 免 不 必 要 的 稀 釋 待 測(cè) 物 ，使 檢 測(cè) 靈 敏 度 降 低 。 多 數(shù) FIA步 驟 是 基 于 中 度

24、 分 散 ， 因 為 待 測(cè)物 必 須 經(jīng) 歷 某 種 形 式 的 智 能 “ 轉(zhuǎn) 化 ” 。 說(shuō) 明 此 方 法 應(yīng) 用 的 例 子 是 在 臨 床 化 學(xué) 中 有 意 義 的 硫 氰 酸 鹽 的 測(cè) 定 。除 了 吸 煙 者 外 ， 存 在 于 人 體 的 硫 氰 酸 鹽 濃 度 是 極 低 的 。 硫 氰 酸 鹽在 人 體 中 的 半 衰 期 大 約 是 14天 ， 因 此 通 過(guò) 體 液 （ 唾 液 、 血 液 和 尿液 ） 分 析 就 很 容 易 區(qū) 別 吸 煙 者 和 非 吸 煙 者 。 一 個(gè) 測(cè) 定 硫 氰 酸 鹽 的快 速 而 簡(jiǎn) 便 的 FIA方 法 是 基 于 以 下 的

25、 反 應(yīng) ：產(chǎn) 物 生 成 迅 速 ， 摩 爾 吸 光 系 數(shù) 很 高 ， 但 隨 后 就 褪 色 ， 壽 命 約 10s。因 此 在 生 色 最 大 的 那 一 刻 讀 數(shù) 很 重 要 。 所 用 的 FIA系 統(tǒng) 示 于 圖 7.6。樣 品 （ 50 L唾 液 ） 被 注 入 到 水 載 流 中 ， 隨 后 與 試 劑 5-Br-PADAP2-(5-溴 -2-吡 啶 偶 氮 )-5-二 乙 氨 基 酚 合 并 ， 再 和 氧 化 劑 重 鉻 酸 鉀 合并 ， 最 終 的 混 合 體 系 中 酸 的 濃 度 約 為 2mol/L。 由 于 FIA可 重 現(xiàn) 的定 時(shí) 性 ， 故 可 定 量

26、檢 測(cè) 亞 穩(wěn) 態(tài) 的 有 色 產(chǎn) 物 。 +2 mol/L HSCN + 5-Br-PADAP + 氧化劑紅色產(chǎn)物（亞穩(wěn)態(tài)） 圖 7.6 用 于 測(cè) 定 亞 穩(wěn) 態(tài) 反 應(yīng) 產(chǎn) 物 的 FIA流 程 圖 圖 7.7 用 圖 7.6所 示 的 FIA系 統(tǒng) 獲 得 到 硫 氰 酸 鹽 信 號(hào) 在FIA系統(tǒng)中可以通過(guò)多相轉(zhuǎn)換技術(shù)提高分析測(cè)定的選擇性。例如把氣體擴(kuò)散、滲析、溶劑萃取、離子交換或固定化酶等操作與管線步驟結(jié)合，以便將樣品成分轉(zhuǎn)變成可檢測(cè)的物質(zhì)。從1975年第一篇FIA論文發(fā)表以來(lái)，流動(dòng)注射分析這一新穎而獨(dú)特的分析方法在環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)冶金、臨床醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等諸領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它

27、的精確控制幾乎適于任何分析領(lǐng)域，它的靈活設(shè)計(jì)組裝使其功能可以無(wú)止境地發(fā)展。 7.3微型全分析系統(tǒng)7.3.1 導(dǎo) 言科 學(xué) 儀 器 在 人 類 的 整 個(gè) 科 技 發(fā) 展 過(guò) 程 中 都 起 到 極 其 重 要 的 作 用 ，這 在 近 代 科 技 發(fā) 展 中 反 映 得 尤 其 突 出 。分 析 儀 器 的 發(fā) 展 趨 勢(shì) 就 是 微 型 化 /集 成 化 與 便 攜 化 。 當(dāng) 前 ， 主 要 為了 適 應(yīng) 生 命 科 學(xué) 發(fā) 展 的 需 要 ， 分 析 儀 器 的 發(fā) 展 正 在 出 現(xiàn) 一 個(gè) 以 微型 化 為 主 要 特 征 的 ， 帶 有 革 命 性 的 重 要 轉(zhuǎn) 折 時(shí) 期 。自

28、 從 Manz和 Widmer于 1990首 次 提 出 微 型 全 分 析 系 統(tǒng) (TAS,miniaturized total analysis system或 micro total analysis system)的 概 念 以 來(lái) ， 經(jīng) 歷 了 發(fā) 展 初 期 的 冷 落 和 彷 徨 ， 在 短 短 的 十 幾 年 中已 發(fā) 展 為 當(dāng) 今 世 界 上 最 前 沿 的 科 技 領(lǐng) 域 之 一 。2001年 ， 英 國(guó) RSC創(chuàng) 刊 Lab-on-a-chip（ 芯 片 實(shí) 驗(yàn) 室 ） 。2002年 ， 美 國(guó) Anal.Chem.將 TAS列 入 每 兩 年 一 次 的 綜 述

29、中 ， 標(biāo)志 著 它 作 為 分 析 化 學(xué) 的 一 個(gè) 獨(dú) 立 領(lǐng) 域 ， 已 被 學(xué) 術(shù) 界 承 認(rèn) 。 并 將 微 流 控 芯 片 系 統(tǒng) 作 為 其 主 要 發(fā) 展 方 向 。 TAS的 目 的 是 通 過(guò) 化 學(xué) 分 析 設(shè) 備 的 微 型 化 與 集 成 化 ， 最 大 限度 地 把 分 析 實(shí) 驗(yàn) 室 的 功 能 轉(zhuǎn) 移 到 便 攜 的 分 析 設(shè) 備 中 ， 甚 至 集 成到 方 方 寸 大 小 的 芯 片 上 。 由 于 這 種 特 征 ， 本 領(lǐng) 域 的 一 個(gè) 更 為 通俗 的 名 稱 “ 芯 片 實(shí) 驗(yàn) 室 ” (Lab-on-a-chip, LOC)已 經(jīng) 被 日 益

30、 地 接 受 。在 分 析 系 統(tǒng) 微 型 化 與 集 成 化 的 基 礎(chǔ) 上 ， TAS的 最 終 目 標(biāo) 是 實(shí) 現(xiàn)分 析 實(shí) 驗(yàn) 室 的 “ 個(gè) 人 化 ” ， “ 家 用 化 ” ， 從 而 使 分 析 科 學(xué) 及 分 析 儀器 從 化 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 室 解 放 出 來(lái) ， 進(jìn) 入 千 家 萬(wàn) 戶 。微 流 控 芯 片 (microfluidic chips)是 TAS中 目 前 最 活 躍 的 領(lǐng) 域 和發(fā) 展 前 沿 ， 它 最 集 中 地 體 現(xiàn) 了 將 分 析 實(shí) 驗(yàn) 室 的 功 能 轉(zhuǎn) 移 到 芯 片上 的 思 想 ， 其 未 來(lái) 的 發(fā) 展 將 對(duì) 上 述 目 標(biāo) 的 實(shí) 現(xiàn)

31、 起 到 非 常 重 要 的作 用 。 Microfluidic chip 作 為 分 析 化 學(xué) 的 前 沿 技 術(shù) ， TAS的 迅 速 發(fā) 展 不 僅 是 該 領(lǐng) 域 科 學(xué)工 作 者 不 懈 努 力 的 結(jié) 果 ， 而 且 得 益 于 微 機(jī) 電 加 工 (MEMS)、 生 物化 學(xué) 、 材 料 學(xué) 、 微 光 學(xué) 機(jī) 械 等 多 門 學(xué) 科 最 新 成 果 的 投 入 。然 而 ， TAS的 實(shí) 際 應(yīng) 用 目 前 尚 處 于 初 級(jí) 階 段 ， 對(duì) 分 析 系 統(tǒng) 來(lái) 講要 求 達(dá) 到 既 “ 微 ” 又 “ 全 ” ， 從 總 體 上 看 ， 還 僅 僅 是 目 標(biāo) ， 離 真

32、正 實(shí)現(xiàn) 還 有 相 當(dāng) 大 的 距 離 。這 些 目 標(biāo) 的 實(shí) 現(xiàn) 必 須 靠 大 力 發(fā) 展 微 流 控 技 術(shù) ； 生 物 (陣 列 )芯 片 雖然 是 很 重 要 的 生 物 檢 測(cè) 手 段 ， 但 難 以 在 實(shí) 際 分 析 系 統(tǒng) 的 “ 微 、 全 ”方 面 發(fā) 揮 優(yōu) 勢(shì) 。一 個(gè) 新 學(xué) 科 的 發(fā) 展 既 需 要 強(qiáng) 大 先 進(jìn) 的 技 術(shù) 支 撐 ， 更 需 要 先 進(jìn) 的 理論 指 導(dǎo) ， TAS在 發(fā) 展 中 還 需 要 更 多 的 基 礎(chǔ) 理 論 來(lái) 更 深 入 地 理 解和 掌 握 物 質(zhì) 在 微 米 尺 度 流 動(dòng) 狀 態(tài) 下 的 行 為 ， 例 如 微 米

33、通 道 中 的 傳質(zhì) 、 導(dǎo) 熱 、 吸 附 及 微 區(qū) 反 應(yīng) 規(guī) 律 等 。 這 些 都 對(duì) 相 關(guān) 的 理 論 研 究 提出 了 新 的 挑 戰(zhàn) ！ 7.3.2 微 型 全 分 析 系 統(tǒng) 及 微 流 控 分 析 芯 片 發(fā) 展 簡(jiǎn) 史微 流 控 分 析 芯 片 的 出 現(xiàn) 在 現(xiàn) 代 分 析 科 學(xué) 與 分 析 儀 器 的 發(fā) 展 中 有 其歷 史 的 必 然 性 。 回 顧 近 40余 年 發(fā) 展 歷 史 會(huì) 看 到 分 析 系 統(tǒng) 的 自 動(dòng) 化微 型 化 趨 勢(shì) 早 在 1950s和 1960s即 已 出 現(xiàn) ， 其 發(fā) 展 動(dòng) 力 主 要 來(lái) 自 于環(huán) 境 及 材 料 科 學(xué)

34、的 發(fā) 展 中 對(duì) 更 多 更 準(zhǔn) 更 快 地 獲 取 物 質(zhì) 成 分 信 息 的需 要 。Skeggs創(chuàng) 始 的 間 隔 式 連 續(xù) 流 動(dòng) 分 析 (segmented continuous flow analysis, SCFA)是 這 一 時(shí) 期 發(fā) 展 的 有 代 表 性 的 成 功 范 例 。 其 成 功之 處 在 于 首 次 突 破 了 延 續(xù) 了 200年 的 分 析 化 學(xué) 傳 統(tǒng) 操 作 中 以 玻 璃器 皿 和 量 器 為 主 要 工 具 的 操 作 模 式 ， 把 分 析 化 學(xué) 轉(zhuǎn) 移 到 有 流 體 連續(xù) 流 動(dòng) 的 管 道 中 ， 數(shù) 毫 米 內(nèi) 徑 數(shù) 米 長(zhǎng)

35、的 玻 璃 或 聚 合 物 管 道 不 僅 是化 學(xué) 反 應(yīng) 的 新 容 器 ， 而 且 也 成 為 分 析 操 作 實(shí) 現(xiàn) 連 續(xù) 化 自 動(dòng) 化 的 “傳 送 帶 ” 。液 體 連 續(xù) 驅(qū) 動(dòng) 手 段 蠕 動(dòng) 泵 ！ 圖 7.8 SCFA系 統(tǒng) 示 意 圖 (a)和 FIA系 統(tǒng) 示 意 圖 (b)S 試 樣 ； A空 氣 ； R試 劑 ； CR載 液 SCFA雖 然 在 溶 液 分 析 自 動(dòng) 化 方 面 取 得 了 成 功 ， 在 分 析 操 作 所需 面 積 的 減 少 方 面 也 有 所 貢 獻(xiàn) ， 但 在 設(shè) 備 和 試 樣 、 試 劑 消 耗 及微 型 化 方 面 卻 進(jìn) 展

36、不 大 ， 分 析 速 度 比 傳 統(tǒng) 的 手 工 操 作 也 無(wú) 顯 著提 高 。 后 者 是 因 為 限 制 分 析 速 度 的 因 素 是 化 學(xué) 反 應(yīng) 本 身 ， 而 非溶 液 操 作 過(guò) 程 。Ruzicka和 Hansen于 1975年 提 出 了 FIA。 他 們 在 繼 承 連 續(xù) 流 動(dòng) 觀念 的 同 時(shí) ， 徹 底 拋 棄 了 SCFA中 要 求 在 流 動(dòng) 中 必 須 實(shí) 現(xiàn) 物 理 平 衡(完 全 混 合 )與 化 學(xué) 平 衡 (反 應(yīng) 完 全 )的 觀 念 ， 去 除 了 管 道 中 同 時(shí) 起間 隔 與 攪 拌 作 用 的 氣 泡 ， 提 出 了 在 非 平 衡

37、(不 完 全 混 合 、 不 完 全反 應(yīng) )條 件 下 實(shí) 現(xiàn) 重 現(xiàn) 性 定 量 分 析 的 技 術(shù) 條 件 。 他 們 利 用 了 細(xì) 管道 (1 mm內(nèi) 徑 )中 液 體 層 流 狀 態(tài) 的 可 控 性 與 重 現(xiàn) 性 ， 加 上 準(zhǔn) 確 的時(shí) 間 (即 流 速 )控 制 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 重 現(xiàn) 、 但 非 完 全 的 混 合 狀 態(tài) ， 并 在 此基 礎(chǔ) 上 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 重 現(xiàn) 、 而 未 必 完 全 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 。 這 一 觀 念 的 提 出 大 大 地 提 高 了 分 析 速 度 ， 使 每 小 時(shí) 測(cè) 定 上 百 種 試樣 成 為 可 能 ， 同 時(shí) 也 促 進(jìn) 了 分

38、 析 系 統(tǒng) 的 微 型 化 。 試 樣 與 試 劑 消 耗從 10 mL水 平 降 低 到 10 200L水 平 。 分 析 操 作 也 從 簡(jiǎn) 單 的 自 動(dòng)進(jìn) 樣 -檢 測(cè) 發(fā) 展 到 包 括 溶 劑 萃 取 、 柱 分 離 、 沉 淀 、 共 沉 淀 、 氣 -液分 離 、 滲 吸 等 在 內(nèi) 的 試 樣 多 種 前 處 理 自 動(dòng) 化 。經(jīng) 過(guò) 30年 的 發(fā) 展 ， FIA已 經(jīng) 滲 透 到 涉 及 溶 液 分 析 的 幾 乎 所 有 分 析化 學(xué) 領(lǐng) 域 ， 不 僅 促 進(jìn) 了 分 析 化 學(xué) 自 動(dòng) 化 和 微 型 化 的 發(fā) 展 ， 同 時(shí) 也為 TAS的 提 出 鋪 平 了

39、 道 路 。Ruzicka和 Hansen早 在 1984年 就 提 出 了 集 成 化 微 管 道 系 統(tǒng) (Integrated microconduit systems, IMCS)的 概 念 ， 并 取 得 了 一 定的 成 功 。 但 由 于 當(dāng) 時(shí) 科 學(xué) 技 術(shù) 整 體 水 平 的 局 限 性 ， 至 少 他 們 當(dāng) 時(shí)并 未 清 楚 地 意 識(shí) 到 需 要 通 過(guò) 多 學(xué) 科 交 叉 來(lái) 進(jìn) 一 步 發(fā) 展 他 們 的 學(xué) 術(shù)思 想 ， 從 而 錯(cuò) 過(guò) 了 一 次 重 要 的 發(fā) 展 機(jī) 遇 ！ Manz和 Widmer則 在 發(fā) 展 TAS方 面 要 顯 得 更 為 幸 運(yùn)

40、和 富 有 遠(yuǎn) 見(jiàn) 。他 們 最 初 的 嘗 試 是 首 先 把 FIA轉(zhuǎn) 移 到 微 加 工 芯 片 上 。 所 構(gòu) 建 的 流動(dòng) 注 射 光 度 測(cè) 定 TAS裝 置 為 多 層 芯 片 結(jié) 構(gòu) ， 主 要 是 采 用 了 單 晶硅 材 料 加 工 。 裝 置 的 復(fù) 雜 性 使 人 們 對(duì) 其 未 來(lái) 發(fā) 展 前 景 不 敢 過(guò) 于 樂(lè)觀 。然 而 當(dāng) 時(shí) 分 析 化 學(xué) 另 一 學(xué) 科 大 迅 速 崛 起 為 TAS提 供 了 一 個(gè) 重 要的 發(fā) 展 機(jī) 遇 毛 細(xì) 管 電 泳 分 離 ！ 一 方 面 ， 毛 細(xì) 管 電 泳 為 TAS提供 了 方 便 靈 活 的 ， 在 微 尺 度

41、 下 電 滲 驅(qū) 動(dòng) 手 段 ； 另 一 方 面 ， 在 芯 片上 加 工 的 毛 細(xì) 管 電 泳 - TAS又 顯 示 出 比 傳 統(tǒng) 毛 細(xì) 管 電 泳 更 優(yōu) 良 的性 能 。Manz與 Harrison于 1992年 合 作 發(fā) 表 了 首 篇 微 加 工 芯 片 上 完 成 的 毛細(xì) 管 分 離 的 論 文 ， 展 示 了 TAS大 發(fā) 展 潛 力 。 隨 后 ， 科 學(xué) 家 們 迅 速把 TAS大 發(fā) 展 重 點(diǎn) 定 位 在 基 于 MEMS技 術(shù) 的 平 板 玻 璃 或 石 英 芯 片上 的 電 滲 驅(qū) 動(dòng) 的 毛 細(xì) 管 電 泳 分 離 微 流 控 系 統(tǒng) 。 1994年 以

42、后 ， 美 國(guó) 一 些 著 名 大 學(xué) 研 究 組 的 介 入 使 該 領(lǐng) 域 的 發(fā) 展迅 速 出 現(xiàn) 高 潮 。1994年 Ramsey group1995年 Mathies group1995年 Caliper Technologies 公 司1995年 Whitesides group1999年 惠 普 公 司 研 制 出 第 一 臺(tái) 微 流 控 芯 片 商 品 化 儀 器 開(kāi) 始 銷 售2001年 Lab-on-a-chip學(xué) 術(shù) 季 刊 創(chuàng) 建 7.3.3 微 型 全 分 析 系 統(tǒng) 的 分 類TAS可 分 為 芯 片 式 與 非 芯 片 式 兩 大 類 。 芯 片 式 是 發(fā) 展

43、 重 點(diǎn) 。在 芯 片 式 TAS中 ， 依 據(jù) 芯 片 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 機(jī) 理 又 可 分 為 微 流 控芯 片 和 微 陣 列 (生 物 )芯 片 。 它 們 均 依 托 于 MEMS技 術(shù) ， 目 前 又都 主 要 服 務(wù) 于 生 命 科 學(xué) ， 但 前 者 以 微 通 道 網(wǎng) 絡(luò) 為 結(jié) 構(gòu) 特 征 ， 后者 以 微 探 針 陣 列 為 結(jié) 構(gòu) 特 征 。微 陣 列 芯 片 目 前 的 主 要 應(yīng) 用 對(duì) 象 是 DNA分 析 ， 所 以 也 稱 為 DNA或 基 因 芯 片 。 其 發(fā) 展 要 稍 微 早 于 微 流 控 芯 片 ， 始 于 1980s， 主 要是 在 生 物 遺

44、 傳 學(xué) 領(lǐng) 域 發(fā) 展 起 來(lái) 的 。微 流 控 芯 片 主 要 是 在 分 析 化 學(xué) 的 學(xué) 科 領(lǐng) 域 發(fā) 展 起 來(lái) 的 ， 表 7.1 圖 7.9 (a)典 型 的 微 流 控 芯 片(b)典 型 的 微 陣 列 (生 物 )芯 片 Microarray (Bio) Chips Microfluidic chip 7.3.4 流 控 分 析 芯 片 特 點(diǎn)微 流 控 芯 片 的 優(yōu) 點(diǎn)(1)微 流 控 芯 片 具 有 極 高 的 效 率 ， 可 在 數(shù) 秒 至 數(shù) 十 秒 時(shí) 間 內(nèi) 自 動(dòng)完 成 分 離 、 測(cè) 定 或 其 他 更 復(fù) 雜 的 操 作 。 分 離 和 分 析 速

45、度 常 高 于相 對(duì) 應(yīng) 當(dāng) 宏 觀 分 析 方 法 一 至 二 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) 。 其 高 分 析 或 處 理 速 度即 來(lái) 源 于 微 米 級(jí) 通 道 中 的 高 導(dǎo) 熱 和 傳 質(zhì) 速 率 ， 也 直 接 來(lái) 源 于 結(jié)構(gòu) 尺 寸 的 縮 小 。(2)微 流 控 分 析 的 試 樣 與 試 劑 消 耗 已 降 低 到 數(shù) 微 升 水 平 ， 并 隨 著技 術(shù) 的 提 高 ， 還 可 能 進(jìn) 一 步 減 少 。 降 低 了 分 析 費(fèi) 用 戶 貴 重 生 物試 樣 的 消 耗 ， 也 減 少 了 環(huán) 境 的 污 染 。(3)用 微 加 工 技 術(shù) 制 作 的 微 流 控 芯 片 部 件 的

46、 微 小 尺 寸 使 多 個(gè) 部 件與 功 能 可 能 集 成 在 數(shù) 平 方 厘 米 的 芯 片 上 ， 在 此 基 礎(chǔ) 上 易 制 備 功能 齊 全 的 便 攜 式 儀 器 ， 用 于 各 類 現(xiàn) 場(chǎng) 分 析 。(4)微 流 控 芯 片 的 微 小 尺 寸 使 材 料 消 耗 甚 微 。 當(dāng) 實(shí) 現(xiàn) 批 量 生 產(chǎn) 后 ， 芯 片 成 本 可 望 大 幅 度 降 低 ， 有 利 于 普 及 。 微流控芯片的局限性(1)作 為 TAS的 主 要 發(fā) 展 前 沿 ， 當(dāng) 前 的 微 流 控 芯 片 系 統(tǒng) 總 體上 既 不 夠 “ 微 ” ， 分 析 功 能 也 遠(yuǎn) 達(dá) 不 到 “ 全 ” 。

47、 主 要 原 因 是 集 成度 不 夠 高 ， 多 數(shù) 檢 測(cè) 器 的 體 積 過(guò) 大 ， 實(shí) 現(xiàn) 集 成 化 還 有 很 長(zhǎng) 的路 要 走 。(2)在 目 前 加 工 條 件 下 微 流 控 分 析 制 作 成 本 還 難 以 滿 足 有 關(guān) 成果 推 廣 應(yīng) 用 的 要 求 。 一 塊 供 研 究 用 的 標(biāo) 準(zhǔn) 玻 璃 芯 片 價(jià) 值 100多美 元 。 一 塊 供 分 析 12個(gè) 試 樣 的 一 次 性 專 用 芯 片 價(jià) 值 10美 元 。(3)目 前 報(bào) 道 的 大 部 分 微 流 控 芯 片 分 析 系 統(tǒng) 不 包 括 試 樣 的 前 處理 功 能 ， 即 功 能 不 夠 全 ，

48、 為 了 解 決 實(shí) 際 試 樣 的 分 析 ， 這 方 面的 研 究 需 要 在 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 的 實(shí) 用 過(guò) 程 中 大 大 加 強(qiáng) 。 7.3.5 微流控芯片的分類根 據(jù) 芯 片 材 料 的 不 同 可 分 為 ：硅 芯 片玻 璃 芯 片石 英 芯 片高 聚 物 芯 片硅 -玻 璃 、 硅 -石 英 、 玻 璃 -高 聚 物 等 復(fù) 合 材 料 芯 片 。根 據(jù) 功 能 不 同 可 分 為 ：高 分 辨 分 離 芯 片 ；微 采 樣 (進(jìn) 樣 )芯 片 ；微 檢 測(cè) (傳 感 器 )芯 片 ；細(xì) 胞 分 析 芯 片 ；前 處 理 芯 片 ； 化 學(xué) 合 成 芯 片 ；多 功 能 集 成

49、 芯 片 。 7.3.6 微型全分析系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與展望(1)繼 微 陣 列 (生 物 )芯 片 后 ， 微 流 控 分 析 芯 片 已 成 為 TAS當(dāng) 前 的 發(fā)展 前 沿 。 例 如 ， 近 期 TAS的 會(huì) 議 論 文 中 微 流 控 分 析 芯 片 占 87%，微 陣 列 芯 片 占 4%。(2) TAS與 微 流 控 芯 片 已 經(jīng) 從 以 毛 細(xì) 管 電 泳 分 離 為 核 心 分 析 技 術(shù)發(fā) 展 到 液 -液 萃 取 ， 過(guò) 濾 ， 無(wú) 膜 擴(kuò) 散 等 多 種 分 離 手 段 。(3) TAS從 以 電 滲 流 為 主 要 驅(qū) 動(dòng) 手 段 發(fā) 展 到 包 括 流 體 動(dòng) 力

50、， 氣 壓重 力 ， 離 心 力 ， 剪 切 力 等 多 種 分 離 手 段 。(4)微 流 控 分 析 系 統(tǒng) 從 單 道 檢 測(cè) 發(fā) 展 到 多 重 平 行 檢 測(cè) 。 陣 列 通 道 數(shù)在 2003年 最 多 已 達(dá) 384道 。(5) TAS已 從 以 激 光 誘 導(dǎo) 熒 光 為 主 要 檢 測(cè) 器 發(fā) 展 到 多 種 檢 測(cè) 手 段 ，如 光 度 法 ， 電 化 學(xué) ， 質(zhì) 譜 ， 原 子 光 譜 ， 化 學(xué) 發(fā) 光 等 。(6) TAS已 開(kāi) 始 從 單 純 的 毛 細(xì) 管 電 泳 分 離 檢 測(cè) 發(fā) 展 到 包 括 復(fù) 雜 試樣 前 處 理 的 高 功 能 全 分 析 系 統(tǒng) 。

51、 (7) TAS已 開(kāi) 始 從 成 分 分 析 工 具 發(fā) 展 到 包 括 在 線 檢 測(cè) 的 微 型 化 學(xué)反 應(yīng) 與 合 成 手 段 ， 在 新 藥 篩 選 中 顯 示 出 強(qiáng) 大 的 生 命 力 。 (8)微 流 控 芯 片 已 開(kāi) 始 從 進(jìn) 行 一 般 成 分 分 析 發(fā) 展 為 單 分 子 單 細(xì) 胞 分析 。(9) 微 流 控 芯 片 已 開(kāi) 始 從 主 要 為 玻 璃 基 質(zhì) 發(fā) 展 玻 璃 與 高 分 子 聚 合 物材 料 并 重 ， 尤 其 在 芯 片 的 產(chǎn) 業(yè) 化 方 面 ， 后 者 因 易 于 實(shí) 現(xiàn) 批 量 生 產(chǎn)而 將 更 具 備 優(yōu) 勢(shì) 。(10) 微 流 控

52、理 論 研 究 日 益 受 到 重 視 ， 通 道 及 結(jié) 構(gòu) 長(zhǎng) 度 的 縮 小 對(duì) 傳統(tǒng) 流 體 力 學(xué) 提 出 了 新 的 挑 戰(zhàn) 。 通 過(guò) 數(shù) 學(xué) 模 型 的 建 立 及 計(jì) 算 機(jī) 模 擬手 段 可 望 大 大 簡(jiǎn) 化 微 流 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 。(11)微 流 控 系 統(tǒng) 在 細(xì) 胞 分 類 、 分 析 ， 甚 至 微 生 物 的 培 養(yǎng) 中 ， 都 正在 顯 示 出 其 獨(dú) 特 的 優(yōu) 越 性 ， 而 吸 引 了 眾 多 研 究 力 量 的 投 入 。(12) TAS已 開(kāi) 始 從 基 礎(chǔ) 與 應(yīng) 用 基 礎(chǔ) 研 究 階 段 進(jìn) 入 產(chǎn) 業(yè) 化 及 市 場(chǎng) 開(kāi)發(fā) 階 段

53、。 商 業(yè) 領(lǐng) 域 的 競(jìng) 爭(zhēng) 將 日 趨 激 化 。10年？20年？ 7.4微流控分析芯片加工技術(shù)7.4.1微流控分析芯片的結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)微 流 控 分 析 芯 片 是 通 過(guò) 微 細(xì) 加 工 技 術(shù) 將 微 管 道 、 微 泵 、 微 閥 、 微儲(chǔ) 液 器 、 微 電 極 、 微 檢 測(cè) 元 件 ， 窗 口 和 連 接 器 等 功 能 元 件 像 集 成電 路 一 樣 ， 使 它 們 集 成 在 芯 片 材 料 (基 片 )上 的 微 全 分 析 系 統(tǒng) 。其 結(jié) 構(gòu) 和 加 工 特 點(diǎn) 如 下 ：(1)以 微 管 道 為 網(wǎng) 絡(luò) ， 將 微 泵 、 微 閥 、 微 儲(chǔ) 液 器 、 微 電

54、 極 、 微 檢 測(cè)元 件 等 連 接 在 一 起 ， 對(duì) 加 入 微 通 道 中 的 流 體 進(jìn) 行 控 制 與 分 離 測(cè) 定 ，以 完 成 多 種 分 析 功 能 ， 如 采 樣 、 稀 釋 、 加 試 劑 、 反 應(yīng) 、 分 離 、 檢測(cè) 等 。(2)微 流 控 分 析 芯 片 的 面 積 為 幾 個(gè) 平 方 厘 米 。(3)微 管 道 寬 度 和 深 度 為 微 米 級(jí) 。(4)芯 片 材 料 已 從 硅 片 發(fā) 展 到 玻 璃 ， 石 英 ， 有 機(jī) 聚 合 物 等 ， 因 此 也 發(fā) 展 了 有 機(jī) 聚 合 物 材 料 的 加 工 技 術(shù) 。 在 傳 統(tǒng) 的 光 刻 和 蝕 刻

55、的 基 礎(chǔ)上 發(fā) 展 了 模 塑 法 ， 熱 壓 法 ， 激 光 燒 蝕 法 ， LIGA技 術(shù) 和 軟 光 刻 等 新方 法 。 microlithography chemical etchingmodling proceduremicrocontact printing thermopresssoft lithography (DRIP,SFB,ECR) 7.4.2微流控分析芯片的材料用 于 制 作 微 流 控 分 析 芯 片 的 材 料 有 單 晶 硅 、 無(wú) 定 形 硅 、 玻 璃 、 石英 、 金 屬 和 有 機(jī) 聚 合 物 ， 如 環(huán) 氧 樹(shù) 脂 、 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯

56、(PMMA)、 聚 碳 酸 酯 (PC)和 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 (PDMS)等 。7.4.3光刻和蝕刻技術(shù)微 細(xì) 加 工 技 術(shù) 是 微 流 控 分 析 系 統(tǒng) 發(fā) 展 的 前 提 條 件 。 微 流 控 分 析 芯片 上 微 通 道 的 制 作 ， 起 源 于 制 作 半 導(dǎo) 體 及 集 成 芯 片 所 廣 泛 使 用 的光 刻 (lithography)和 蝕 刻 技 術(shù) (etching)。 它 是 用 光 膠 、 掩 模 和 紫 外光 進(jìn) 行 微 制 造 ， 工 藝 成 熟 ， 已 廣 泛 地 用 于 硅 ， 玻 璃 和 石 英 基 片 上制 作 微 結(jié) 構(gòu) 。 圖 7.10

57、光 刻 和 蝕 刻 的 基 本 工 序 7.4.4高分子聚合物微流控芯片的加工技術(shù)高 分 子 聚 合 物 基 片 上 制 作 微 通 道 的 技 術(shù) 有 模 塑 法 ， 熱 壓 法 ，LIGA技 術(shù) ， 激 光 燒 蝕 法 和 軟 光 刻 等 。軟 光 刻 是 相 對(duì) 于 微 制 造 領(lǐng) 域 中 占 主 導(dǎo) 地 位 的 光 刻 而 言 的 微 圖 形轉(zhuǎn) 移 和 微 制 造 的 新 方 法 。 因 光 刻 不 但 需 要 昂 貴 的 設(shè) 備 和 超 凈 實(shí)驗(yàn) 室 ， 也 不 能 在 曲 面 上 加 工 微 結(jié) 構(gòu) 。從 1995年 開(kāi) 始 ， G.Whitesides等 以 自 組 裝 單 分

58、子 層 (self-assembled monolayer, SAMs)， 彈 性 印 章 (elastomeric stamp)和 高 聚 物 膜 塑技 術(shù) 為 基 礎(chǔ) ， 發(fā) 展 了 一 種 新 的 低 成 本 的 微 細(xì) 加 工 新 技 術(shù) “ 軟 光 刻” 。 軟 光 刻 技 術(shù) 的 核 心 是 圖 形 轉(zhuǎn) 移 元 件 -彈 性 印 章 。 方 法 有 微 接 觸印 刷 法 ， 毛 細(xì) 微 模 塑 法 ， 轉(zhuǎn) 移 微 模 塑 法 和 微 復(fù) 制 模 塑 法 等 。 它 不僅 可 在 高 聚 物 等 材 料 上 制 造 復(fù) 雜 的 三 維 微 通 道 ， 而 且 可 以 改 變 材 料表

59、 面 的 化 學(xué) 性 質(zhì) ， 有 可 能 成 為 低 成 本 的 微 流 控 分 析 芯 片 的 新 方 法 。 圖 7.11 模 塑 法 復(fù) 制 彈 性 印 章 7.5微流控分析芯片的應(yīng)用 圖 7.12 芯 片 毛 細(xì) 管 電 泳 的 基 本 示 意 圖 圖 7.13（ A） 細(xì) 胞 分 析 實(shí) 驗(yàn) 所 采 用 的 微 流 控 裝 置 的 圖 像 。 （ B） A中 所 示的 微 流 控 裝 置 中 乳 化 和 溶 胞 交 點(diǎn) 的 示 意 圖 。 實(shí) 線 表 示 本 體 流 體 流 動(dòng) 的 方 向 ，虛 線 是 溶 胞 后 標(biāo) 記 組 分 的 電 泳 遷 移 方 向 。 圖 7.14 細(xì) 胞

60、 溶 胞 的 CCD圖 像 。 （ A） 標(biāo) 記 過(guò) Calcein AM的 Jurkat細(xì) 胞 （ 在白 色 橢 圓 形 內(nèi) ） 正 被 流 體 動(dòng) 力 傳 輸 到 溶 胞 處 。 細(xì) 胞 的 圖 像 有 些 變 形 ， 原 因是 CCD攝 相 機(jī) 的 積 分 （ 曝 光 ） 時(shí) 間 與 細(xì) 胞 流 動(dòng) 的 時(shí) 間 相 比 太 長(zhǎng) 。 箭 頭 表 示 流體 在 通 道 中 的 流 動(dòng) 方 向 。 細(xì) 胞 上 不 清 楚 的 線 和 點(diǎn) 是 由 于 照 相 機(jī) 讀 出 時(shí) 象 素 刺目 的 閃 光 所 引 起 的 。 （ B） 細(xì) 胞 遇 到 電 場(chǎng) 被 溶 胞 熒 光 標(biāo) 記 的 組 分 被

61、 注 射 到 分 離通 道 中 ， 向 正 極 遷 移 。 箭 頭 所 指 的 方 向 為 溶 胞 產(chǎn) 物 在 通 道 中 遷 移 的 方 向 。（ C） 所 觀 察 到 的 是 分 離 兩 種 熒 光 標(biāo) 記 組 分 （ 用 星 號(hào) 標(biāo) 出 ） 的 情 況 。 目前正以此研究單細(xì)胞快速鑒定、蛋白組高速分離、宇宙空間生命研究簡(jiǎn)單芯片高密度集成 96-channel radial capillary array electrophoresis microplate Y. Shi et al.Anal. Chem.,1999, 71, 5354 中級(jí)分析化學(xué)期末考試簡(jiǎn)明總結(jié) 考核方法： 作業(yè)(10%，抽查)期中考試(30%)期 末考試(60%)期末考試： 前3章（20%）+ 后4章（80%） 前3章中主要掌握分析化學(xué)中的量的概念有效數(shù)字測(cè)量方法的主要技術(shù)參數(shù)和控制指標(biāo)質(zhì)量控制圖樣品的取樣、處理與制備萃取分離法毛細(xì)管電泳法 后4章每章均要考試 謝謝大家預(yù)祝各位新年快樂(lè)！考出好成績(jī)！農(nóng)歷狗年考 試 時(shí) 間 ： 2006年 1月 9日 上 午 8-10地 點(diǎn) ： 101教 室