分析化学中分自动分析技术微型全分析系统.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章,自动分析技术,/,微型全分析系统,7.1,导言,7.2,流动注射分析,7.3,微型全分析系统,7.4,微流控分析芯片加工技术,7.5,微流控分析芯片应用,微流控分析芯片，方肇伦 等编著，科学出版社，,1/87,7.1,导言,传统化学分析方法是手工分析，至今仍被广泛应用。,手工分析缺点是,手续繁杂、速度慢,，分析结果与分析,人员技术水平和熟练程度相关，还不可防止地使分析,人员长时间接触化学药品，严重影响健康。,为了克服这些缺点，几十年来，人们依据不一样分析要,求，模拟手工分析程序设计了各种各样机械程序分,析装置，用机械操作代替手工操作，给分析工作者减轻,了许多负担，分析速度、准确度、精度也有了一定提,高。但这类程序分析器普通只适于分析一两种特定组分，,通用性差。,2/87,1950s,，“连续流动分析”技术发展起来了。它基本思绪是把,各种化学分析所要用试剂和试样按一定次序和百分比用,管道,和泵,输送到一定反应区域，进行混合，完成化学反应，最终,经检测器检测并由统计仪显示分析结果，实现了,管道化自动,连续分析,。但这些分析仍建立在,化学平衡,基础上，速度受到,限制。,丹麦技术大学,J.Ruzicka,和,E.H.Hansen,于,1975,年提出了,流动注,射分析,(Flow Injection Analysis,，,FIA),新概念。把试样溶液直,接以“试样塞”形式注入到管道试剂载流中，不需反应进行,完全，就能够进行检测。摆脱了传统必须在稳态条件下操作,观念，提出化学分析可在,非平衡动态条件,下进行，从而大大提,高了分析速度。普通可达每小时进样,100300,次。从样品注入到,检测器响应,时间间隔普通小于,1 min,。设备较简单并灵活，操,作简便，开启和关机时间仅需几分钟，所以,FIA,技术不但适于大,批量常规分析，也适于少许非常规样品自动测定。,3/87,FIA,是一个良好微量分析技术，普通每次测定仅需,25100,L,样品溶液。因为样品与试剂用量甚微，又在封闭系统中完,成测定，所以极大地降低了对人体毒害和对环境污染。,当代分析化学发展趋势是向现场、实时、动态、,高灵敏度、高选择性、高通量方向发展！,1990s,早期发展起来微全分析系统,(,微流控芯片、生,物芯片和芯片试验室,),为实现上述目标提供了可能性。,4/87,7.2,流动注射分析,7.2.1,流动注射分析基本原理,7.2.1.1,受控扩散和定时重现,样品被注入到试剂载流后，式样塞有矩形浓度轮廓。当样品在载流载带下经过管道移动时，就发生带展宽或扩散。展宽区带形状由两种作用决定：,对流和扩散（径向和轴向）。,图,7.1,对流和扩散作用,(a),无分散；,(b),对流引发分散；,(c),对流和径向扩散引发,分散；,(d),径向扩散引发分散,5/87,7.2.1.1,受控扩散和定时重现,流动注射分析常在对流和径向扩散两种分散共存,情况下进行。当样品经过流通池时，检测器所,统计是连续改变信号，能够是吸光度，电极,电势或其它物理参数，,因而不需要到达,化学平,衡,。,6/87,比如，以分光光度法测定,Cl,-,，所基于反应是：,图,7.2,流动注射测定,Cl,-,(a),流路设计图；,(b)5-75,gmL,-1,平行,测定；,(c)30,gmL,-1,和,75,gmL,-1,样品快速扫描。,7/87,这些试验清楚地显示了,FIA,基本特点：在样品经过分析,流路时，以完全相同方法次序处理全部样品。即对一,个样品怎样处理，对其它任何样品也以完全相同方法进,行处理。,流动注射体系中准确体积样品注入、重现和精,确,定时,进样以及从注入点到检测点体系完全相同操,作,（,所谓控制或可控分散,），形成注入样品浓度梯度，,从而产生瞬间、但可,准确重现,统计信号，使得流路中,任何一点都能像稳态一样准确测量。普通用峰值作为分,析信号，能够取得较高灵敏度。,受控扩散和定时重现,是流动注射分析,(FIA),基本特点！,8/87,7.2.1.2,分散系数,为了合理地设计,FIA,体系，需要知道原始样品溶液在它流到检测,器途中稀释程度，以及从样品注入到读数消耗了多长时间。,定义分散系数,(dispersion coefficient,D,),为,D,c,0,/,c,(,D,0)(7.1),式中,c,0,为注入样品中分析物浓度，,c,为检测器中分析物浓度。,这里,D,仅考虑了分散物理过程；但应该强调是：任何,FIA,峰,都是两种过程同时发生结果：区带分散物理过程与样品和试,剂间发生化学反应过程。,9/87,分散系数主要受三种相互作用且能够控制变量影响，,即样品体积、管长度和流动速度。,可用染料来测定,D,。,设计,FIA,体系时，需依据试验目标综合考虑各种原因影,响，以确定最正确流路。比如，建立,FIA,系统是用于常规,大批量分析，那么提升分析速度、增加进样频率就是,要考虑主要方面，就应该降低进样体积，缩短管长，,提升流速。,10/87,分散系数大致可分为,4,种情况：有限（,D,=13,）、中度,（,D,=310,）、高度（,D,10,）以及减小（,D,1,）。对应,设计,FIA,体系已被用于各种各样分析任务。当注入样,品以未被稀释形式被运载到检测器时，采取是有限分,散，也就是将,FIA,体系用作将样品严格而准确地运载到检测,装置（如离子选择电极、原子吸收分光光度计等）工具。,当待测物必须与载液混合并发生反应，以形成要检测产物,时采取中度分散。只有当样品必须被稀释到测量范围内时才,应用高度分散。减小分散意味着检测样品浓度高于注入,样品浓度，即发生了在线预浓缩（比如经过离子交换柱或,经过共沉淀等）。,11/87,7.2.2,流动注射分析仪基本组成,FIA,仪普通由流体驱动单元、进样阀、,反应管道和检测器组成。,12/87,在流动注射体系中，最常见是用蠕动泵驱动溶液。图,7.3,表明,了蠕动泵操作原理。,蠕动泵普通都有,810,个排列成圆圈滚轴，经过转动滚轴将,液体压进塑料或橡胶管。流速由马达转速和管子内径控制。,若固定蠕动泵旋转速度,流速就由每个管子内径决定。商品,化管子含有,0.254mm,内径，允许流速最小为,0.0005 mL/min,，,最大为,40 mL/min,。蠕动泵能够进行几个管子同时操作，尤其,适于应用各种试剂但又不能预先混合情况。,FIA,也能够用活塞,泵，但价格较贵，且只允许单流路传送，对于多路管线，则需,几个单独泵。,7.2.2.1,流体驱动单元,图,7.3,单管路蠕动泵示意图,13/87,7.2.2.2,进样阀,进样阀,(valve for injection),又称采样阀、注入阀或注射阀。用,得最多、且效果最令人满意是类似于高效液相色谱（,HPLC,）,中所用旋转式六通阀。注入样品体积能够为,5 200,L,，典,型是,1030,L,，用含有适当长度和内径外部环管计量。这,种“塞式”注入进样方式对载流流动干扰很小，取样和注入过,程均可准确重复。,14/87,7.2.2.3,反应管道,在,FIA,管线中所用导管多数是由细孔径聚乙烯管和聚四氟乙,烯管组成，经典内径为,0.50.8 mm,。反应管道,(reaction pipeline),通常是盘绕着，能够增强径向扩散、减小轴向扩散，减弱试样塞,增宽程度而造成更对称峰，取得较高灵敏度，而且能够提升,进样频率。假如在反应管道内填充直径为管道内径,60%,玻璃球，,则称为单珠串反应器，用这种管道能够得到十分对称峰形，而分,散程度比同规格内径敞口直管反应器分散度小,10,倍。,为了连接管道，并使液流按需要分支或集合，经常使用被称为,“,化,学块,”,或,“,功效组合块,”,装置。在,“,化学块,”,管道连接处能够产生,“,径向效应,”,，使试样与试剂有效地混合，因而提升进样频率和分析,灵敏度。,15/87,7.2.2.4,检测器,FIA,实际上能够与任何类型检测器,(probe unit),相匹配,这也是,FIA,取得很大成功原因之一。比如,AAS,、,AES,、分光光度计、,荧光光度计、电化学系统、折射仪等。,带流通式液槽分光光度计检测器是,FIA,中用得最多。流通池,和普通吸收池区分在于：流通池是动态测定，吸收池是静态测,定。除了为取得一定灵敏度而要求有足够光程外，还要求流,通池体积尽可能小，方便降低载流量、试剂量、试样量，并提升,分析速度。在液体流通区域内要防止死角，以防止试样残余液,滞留于死角区影响重现性，或截留气泡而干扰测定。,下列图为两种惯用玻璃或石英流通池。然而，用泵输送载流通,过分光光度计做法远不如把光束从分光光度计引入流动注射,分析系统，然后再返回光度计更为合理。因而在最近设计中，,广泛地使用了光导纤维。这么，能够将流通池和微管道结合在一,起，进行吸光度测定或荧光检测。,16/87,图,7.4,发光光度法中流通池,(a),固定在多数商品光度计上,Hellma,池；,(b)Z,型池，其中,A,为透明窗，并为聚四氟,乙烯池体，,C,为池套，,CH,为入口通道。,图,7.5,离子选择性电极流通池,(a),射流壁式结构流通池；,(b),梯流式结构,流通池,17/87,7.2.3 FIA,技术与应用,7.2.3.1,用于重复和准确样品传送（有限分散应用）,因为,FIA,固有严格定时性，能够用此项技术将给定样品准确,而重复地传递到检测器，从而确保每一个测量循环过程中全部,条件严格保持一致。,比如，当火焰原子吸收光谱、原子发射光谱或电感耦合等离子体,原子发射光谱与,FIA,结合时，样品等分试样被直接吸入火焰或,等离子体,这些分析仪器性能就会取得改进，且在一些情况下,被大大加强。与传统样品溶液吸入法相比，能够提升进样频率，,进样速率可达,300,样,/h,。更主要是，在普通吸入一个样品时间,内能够分别注入两份样品，这意味着,FIA,法不但能提升精度，也能,改进准确度。另一个优点是样品与检测器接触时间非常短，其余,时间能够用载液清洗检测器。这意味着有高清洗,-,进样比，因,此能够大大地降低或消除由高浓度盐造成燃烧器堵塞机会。,18/87,7.2.3.2 FIA,转换技术（中度分散应用）,FIA,转换技术,(conversion techniques),能够被定义为：借助适当,样品预处理、试剂生成或基体改性，经过动力学控制化学,反应使不能被检测物质转化成可被检测成份过程。,在这类,FIA,体系中，分散应该足够快，以使样品和试剂部分混,合，发生反应，但又不过分分散，以免无须要稀释待测物，,使检测灵敏度降低。多数,FIA,步骤是基于中度分散，因为待测,物必须经历某种形式智能,“,转化,”,。,19/87,说明此方法应用例子是在临床化学中有意义硫氰酸盐测定。,除了吸烟者外，存在于人体硫氰酸盐浓度是极低。硫氰酸盐,在人体中半衰期大约是,14,天，所以经过体液（唾液、血液和尿,液）分析就很轻易区分吸烟者和非吸烟者。一个测定硫氰酸盐,快速而简便,FIA,方法是基于以下反应：,产物生成快速，摩尔吸光系数很高，但随即就褪色，寿命约,10s,。,所以在生色最大那一刻读数很主要。所用,FIA,系统示于图,7.6,。,样品（,50,L,唾液）被注入到水载流中，随即与试剂,5-Br-PADAP,2-(5-,溴,-2-,吡啶偶氮,)-5-,二乙氨基酚,合并，再和氧化剂重铬酸钾合,并，最终混合体系中酸浓度约为,2mol/L,。因为,FIA,可重现,定时性，故可定量检测亚稳态有色产物。,20/87,图,7.6,用于测定,亚稳态,反应产物,FIA,流程图,21/87,图,7.7,用图,7.6,所表示,FIA,系统取得到硫氰酸盐信号,22/87,在,FIA,系统中能够经过多相转换技术提升分析测定,选择性。比如把,气体扩散、渗析、溶剂萃取、离子交,换或固定化酶,等操作与管线步骤结合，方便将样品成,分转变成可检测物质。,自从,1975,年第一篇,FIA,论文发表以来，流动注射分析,这一新奇而独特分析方法在环境监测、地质冶金、,临床医学、农业、林业等诸领域得到了广泛应用。,它准确控制几乎适于任何分析领域，它灵活设计,组装使其功效能够无止境地发展。,23/87,作业,7,：,怎样定义,FIA,中分散系数,D,，对于给定,FIA,体系如,何测定,D,?,24/87,7.3,微型全分析系统,7.3.1,导言,科学仪器在人类整个科技发展过程中都起到极其主要作用，,这在近代科技发展中反应得尤其突出。,分析仪器发展趋势就是微型化,/,集成化与便携化。当前，主要为,了适应生命科学发展需要，分析仪器发展正在出现一个以微,型化为主要特征，带有革命性主要转折时期。,自从,Manz,和,Widmer,于,1990,首次提出微型全分析系统,(,TAS,miniaturized total analysis system,或,micro total analysis system),概念以来，经历了发展早期冷落和彷徨，在短短十几年中,已发展为当今世界上最前沿科技领域之一。,年，英国,RSC,创刊,Lab-on-a-chip,（,芯片试验室,）。,年，美国,Anal.Chem.,将,TAS,列入每两年一次综述中，标,志着它作为分析化学一个独立领域，已被学术界认可。并将微,流控芯片系统作为其主要发展方向。,25/87,TAS,目标是经过化学分析设备微型化与集成化，最大限,度地把分析试验室功效转移到便携分析设备中，甚至集成,到方寸大小芯片上。因为这种特征，本事域一个更为通俗,名称“芯片试验室”,(Lab-on-a-chip,LOC),已经被日益地接收。,在分析系统微型化与集成化基础上，,TAS,最终目标是实现,分析试验室“个人化”，“家用化”，从而使分析科学及分析仪,器从化学试验室解放出来，进入千家万户。,微流控芯片,(microfluidic chips),是,TAS,中当前最活跃领域和,发展前沿，它最集中地表达了将分析试验室功效转移到芯片,上,思想，其未来发展将对上述目标实现起到非常主要,作用。,26/87,Microfluidic chip,Sample preparation,Mass transport,Mixing,Reaction,Sample injection,Separation,Detection,27/87,28/87,29/87,30/87,31/87,作为分析化学前沿技术，,TAS,快速发展不但是该领域科学,工作者不懈努力结果，而且得益于微机电加工,(MEMS),、生物,化学、材料学、微光学机械等多门学科最新结果利用。,然而，,TAS,实际应用当前尚处于初级阶段，对分析系统来讲,要求到达既“微”又“全”，从总体上看，还仅仅是目标，离真正实,现还有相当大距离。,这些目标实现必须靠大力发展微流控技术；生物,(,阵列,),芯片虽,然是很主要生物检测伎俩，但难以在实际分析系统“微、全”,方面发挥优势。,一个新学科发展既需要强大先进技术支撑，更需要先进理,论指导，,TAS,在发展中还需要更多基础理论来更深入地了解,和掌握物质在微米尺度流动状态下行为，比如微米通道中传,质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相关理论研究提,出了新挑战！,32/87,7.3.2,微型全分析系统及微流控分析芯片发展简史,微流控分析芯片出现在当代分析科学与分析仪器发展中有其,历史必定性。回顾近,40,余年发展历史会看到分析系统自动化,微型化趋势早在,1950s,和,1960s,即已出现，其发展动力主要来自于,环境及材料科学发展中对更多更准更加快地获取物质成份信息,需要。,Skeggs,创始间隔式连续流动分析,(segmented continuous flow,analysis,SCFA),是这一时期发展有代表性成功范例。其成功,之处于于首次突破了延续了,200,年分析化学传统操作中以,玻璃,器皿和量器,为主要工具操作模式，把分析化学转移到有流体连,续流动,管道,中，数毫米内径数米长玻璃或聚合物管道不但是,化学反应,新容器,，而且也成为分析操作实现连续化自动化“,传送带,”。,液体连续驱动伎俩蠕动泵！,33/87,图,7.8 SCFA,系统示意图,(a),和,FIA,系统示意图,(b),S,试样；,A,空气；,R,试剂；,CR,载液,34/87,SCFA,即使在溶液分析自动化方面取得了成功，在分析操作所,需面积降低方面也有所贡献，但在设备和试样、试剂消耗及,微型化方面却进展不大，分析速度比传统手工操作也无显著,提升。后者是因为限制分析速度原因是化学反应本身，而非,溶液操作过程。,Ruzicka,和,Hansen,于,1975,年提出了,FIA,。他们在继承连续流动观,念同时，彻底抛弃了,SCFA,中要求在流动中必须实现物理平衡,(,完全混合,),与化学平衡,(,反应完全,),观念，去除了管道中同时起,间隔与搅拌作用气泡，提出了,在非平衡,(,不完全混合、不完全,反应,),条件下实现重现性定量分析技术条件。,他们利用了细管,道,(1 mm,内径,),中液体层流状态可控性与重现性，加上准确,时间,(,即流速,),控制，实现了重现、但非完全混合状态，并在此,基础上来实现重现、而未必完全化学反应。,35/87,这一观念提出大大地提升了分析速度，使每小时测定上百种试,样成为可能，同时也促进了分析系统微型化。试样与试剂消耗,从,10 mL,水平降低到,10,200,L,水平。分析操作也从简单自动,进样,-,检测发展到包含溶剂萃取、柱分离、沉淀、共沉淀、气,-,液,分离、渗吸等在内试样各种前处理自动化。,经过,30,年发展，,FIA,已经渗透到包括溶液分析几乎全部分析,化学领域，不但促进了分析化学自动化和微型化发展，同时也,为,TAS,提出铺平了道路。,Ruzicka,和,Hansen,早在,1984,年就提出了集成化微管道系统,(,Integrated microconduit systems,IMCS),概念，并取得了一定,成功。但因为当初科学技术整体水平不足，最少他们当初,并未清楚地意识到需要经过多学科交叉来深入发展他们学术,思想，从而错过了一次主要发展机遇！,36/87,Manz,和,Widmer,则在发展,TAS,方面要显得更为幸运和富有远见。,他们最初尝试是首先把,FIA,转移到微加工芯片上。所构建流,动注射光度测定,TAS,装置为多层芯片结构，主要是采取了单晶,硅材料加工。装置复杂性使人们对其未来发展前景不敢过于乐,观。,然而当初分析化学另一学科快速崛起为,TAS,提供了一个主要,发展机遇毛细管电泳分离！首先，毛细管电泳为,TAS,提,供了方便灵活，在微尺度下电渗驱动伎俩；另首先，在芯片,上加工毛细管电泳,-,TAS,又显示出比传统毛细管电泳更优良,性能。,Manz,与,Harrison,于,1992,年合作发表了首篇微加工芯片上完成毛,细管分离论文，展示了,TAS,发展潜力。随即，科学家们快速,把,TAS,发展重点定位在基于,MEMS,技术平板玻璃或石英芯片,上电渗驱动毛细管电泳分离微流控系统。,37/87,1994,年以后，美国一些著名大学研究组介入使该领域发展,快速出现高潮。,1994,年,Ramsey group,1995,年,Mathies group,1995,年,Caliper Technologies,企业,1995,年,Whitesides group,1999,年惠普企业研制出第一台微流控芯片商品化仪器开始销售,年,Lab-on-a-chip,学术季刊创建,年中国自然科学基金委开启第一个重大研究计划,38/87,7.3.3,微型全分析系统分类,TAS,可分为芯片式与非芯片式两大类。芯片式是发展重点。,在芯片式,TAS,中，依据芯片结构及工作机理又可分为,微流控,芯片和微阵列,(,生物,),芯片,。它们均依靠于,MEMS,技术，当前又,都主要服务于生命科学，但前者以,微通道网络,为结构特征，后,者以,微探针阵列,为结构特征。,微阵列芯片当前主要应用对象是,DNA,分析，所以也称为,DNA,或基因芯片。其发展要稍微早于微流控芯片，始于,1980s,，主要,是在生物遗传学领域发展起来。,微流控芯片主要是在分析化学学科领域发展起来。,39/87,表,7.1,40/87,图,7.9 (a),经典微流控芯片,(b),经典微阵列,(,生物,),芯片,41/87,Microarray(Bio)Chips,42/87,Sample preparation,Mass transport,Mixing,Reaction,Sample injection,Separation,Detection,Microfluidic chips,Structure,：,microchannel network,functions,：,all functions of an analytical Lab,Microfluidic chip,Main functions:,43/87,7.3.4,流控分析芯片特点,微流控芯片优点,(1),微流控芯片含有极高效率，可在数秒至数十秒时间内自动,完成份离、测定或其它更复杂操作。分离和分析速度常高于,相对应该宏观分析方法一至二个数量级。其高分析或处理速度,即起源于微米级通道中高导热和传质速率，也直接起源于结,构尺寸缩小。,(2),微流控分析试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并伴随,技术提升，还可能深入降低。降低了分析费用户珍贵生物,试样消耗，也降低了环境污染。,(3),用微加工技术制作微流控芯片部件微小尺寸使多个部件,与功效可能集成在数平方厘米芯片上，在此基础上易制备功,能齐全便携式仪器，用于各类现场分析。,(4),微流控芯片微小尺寸使材料消耗甚微。当实现批量生产后，,芯片成本可望大幅度降低，有利于普及。,44/87,微流控芯片不足,(1),作为,TAS,主要发展前沿，当前微流控芯片系统总体,上既不够“微”，分析功效也远达不到“全”。主要原因是集成,度不够高，多数检测器体积过大，实现集成化还有很长,路要走。,(2),在当前加工条件下微流控分析制作成本还难以满足相关成,果推广应用要求。一块供研究用标准玻璃芯片价值,100,多,美元。一块供分析,12,个试样一次性专用芯片价值,10,美元。,(3),当前报道大部分微流控芯片分析系统不包含试样前处,理功效，即功效不够全，为了处理实际试样分析，这方面,研究需要在应用领域实用过程中大大加强。,45/87,7.3.5,微流控芯片分类,依据芯片材料不一样可分为：,硅芯片,玻璃芯片,石英芯片,高聚物芯片,硅,-,玻璃、硅,-,石英、玻璃,-,高聚物等复合材料芯片。,依据功效不一样可分为：,高分辨分离芯片；,微采样,(,进样,),芯片；,微检测,(,传感器,),芯片；,细胞分析芯片；,前处理芯片；,化学合成芯片；,多功效集成芯片。,46/87,7.3.6,微型全分析系统发展趋势与展望,(1),继微阵列,(,生物,),芯片后，微流控分析芯片已成为,TAS,当前发,展前沿。比如，近期,TAS,会议论文中微流控分析芯片占,87%,，,微阵列芯片占,4%,。,(2),TAS,与微流控芯片已经从以毛细管电泳分离为关键分析技术,发展到液,-,液萃取，过滤，无膜扩散等各种分离伎俩。,(3),TAS,从以电渗流为主要驱动伎俩发展到包含流体动力，气压,重力，离心力，剪切力等各种分离伎俩。,(4),微流控分析系统从单道检测发展到多重平行检测。阵列通道数,在,年最多已达,384,道。,(5),TAS,已从以激光诱导荧光为主要检测器发展到各种检测伎俩，,如光度法，电化学，质谱，原子光谱，化学发光等。,(6),TAS,已开始从单纯毛细管电泳分离检测发展到包含复杂试,样前处理高功效全分析系统。,(7),TAS,已开始从成份分析工具发展到包含在线检测微型化学,反应与合成伎俩，在新药筛选中显示出强大生命力。,47/87,(8),微流控芯片已开始从进行普通成份分析发展为单分子单细胞分,析。,(9),微流控芯片已开始从主要为玻璃基质发展玻璃与高分子聚合物,材料并重，尤其在芯片产业化方面，后者因易于实现批量生产,而将更具备优势。,(10),微流控理论研究日益受到重视，通道及结构长度缩小对传,统流体力学提出了新挑战。经过数学模型建立及计算机模拟,伎俩可望大大简化微流控系统设计。,(11),微流控系统在细胞分类、分析，甚至微生物培养中，都正,在显示出其独特优越性，而吸引了众多研究力量投入。,(12),TAS,已开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开,发阶段。商业领域竞争将日趋激化。,10,年？,20,年？,48/87,7.4,微流控分析芯片加工技术,7.4.1,微流控分析芯片结构和加工特点,微流控分析芯片是经过微加工技术将,微管道、微泵、微阀、微,储液器、微电极、微检测元件，窗口和连接器等功效元件像集成,电路一样，使它们集成在芯片材料,(,基片,),上微全分析系统。,其结构和加工特点以下：,(1),以微管道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测,元件等连接在一起，对加入微通道中流体进行控制与分离测定，,以完成各种分析功效，如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检,测等。,(2),微流控分析芯片面积为几个平方厘米。,(3),微管道宽度和深度为微米级。,(4),芯片材料已从硅片发展到玻璃，石英，有机聚合物等，所以也,发展了有机聚合物材料加工技术。在传统光刻和蚀刻基础,上发展了模塑法，热压法，激光烧蚀法，,LIGA,技术和软光刻等新,方法。,49/87,Microfluidic chip,silicon,、,glass,and quartz,polymers,microlithography,chemical etching,modling procedure,microcontact printing thermopress,soft lithography,(DRIP,SFB,ECR),Materials,Fabrication tech,50/87,7.4.2,微流控分析芯片材料,用于制作微流控分析芯片材料有单晶硅、无定形硅、玻璃、石,英、金属和有机聚合物，如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯,(PMMA),、聚碳酸酯,(PC),和聚二甲基硅氧烷,(PDMS),等。,PDMS,：,（,1,）能可逆和重复变形而不发生永久性破坏；（,2,）能用,模塑法高保真地复制微流控芯片；（,3,）能透过,300nm,以上紫外,和可见光；（,4,）耐用且有一定化学惰性；（,5,）无毒、价廉。,51/87,7.4.3,光刻和蚀刻技术,微细加工技术是微流控分析系统发展前提条件。,微流控分析芯片上微通道制作，起源于制作半,导体及集成芯片所广泛使用光刻,(lithography),和蚀刻技术,(etching),。它是用光胶、掩模和紫外,光进行微制造，工艺成熟，已广泛地用于硅，玻,璃和石英基片上制作微结构。,52/87,图,7.10,光刻和蚀刻基本工序,光刻和蚀刻技术是由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成。,53/87,薄膜沉积：,光刻前先要在基片上覆盖一层薄膜，厚度为数埃到几十微米，这一工艺工程称为薄膜沉积（氧化、化学气相沉积蒸发和溅射等）。,在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光胶。,光刻：,将掩膜上微流控芯片设计图案经过曝光成像原理转移到光胶层上工艺工程称为光刻（涂覆光胶、光刻机经过曝光将掩模上光胶转移到光胶层、显影液溶解）。,蚀刻：,将光胶层上平面二维图形转移到薄膜上并进而在基片上加工成一定深度微结构工艺（湿法蚀刻和干法蚀刻）。,经过选取适当刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材料腐蚀速度不一样，能够在薄膜或基片上产生所需要微结构。复杂微结构可经过屡次重复薄膜沉积,-,光刻,-,蚀刻这三个工序来完成。,54/87,光刻掩膜制备,光刻,掩膜基本功效是当光线照射其上时，图形区和,非图形区对光线吸收和透射能力不一样。以下列图所表示。,55/87,7.4.4,高分子聚合物微流控芯片加工技术,高分子聚合物基片上制作微通道技术有模塑法，热压法，,LIGA,技术，激光烧蚀法和软光刻等。,软光刻是相对于微制造领域中占主导地位光刻而言微,图形转移和微制造新方法。因光刻不但需要昂贵设备,和超净试验室，也不能在曲面上加工微结构。,从,1995,年开始，,G.Whitesides,等以自组装单分子层,(self-,Assembled monolayer,SAMs),，弹性印章,(elastomeric stamp,),和高聚物膜塑技术为基础，发展了一个新低成本微细,加工新技术“,软光刻”（,soft lithography,）,。软光刻技术,关键是图形转移元件,-,弹性印章,。方法有微接触印刷法，毛,细微模塑法，转移微模塑法和微复制模塑法等。它不但可,在高聚物等材料上制造复杂三维微通道，而且能够改变,材料表面化学性质，有可能成为低成本微流控分析芯,片新方法。,56/87,图,7.11,模塑法复制弹性印章,制作弹性印章最正确材料,是,PDMS,。采取光刻等技术,先制得相关微结构母模，,用模塑法在其上浇注,PDMS,，,固化剥离得到表面精细图形,弹性印章。,表面自由能低，化学性质,稳定，与其它材料不黏连；,与基片正交接触严密，轻易,取模；柔软，易变形，弹性,好，可在曲面上复制微图,形。,57/87,7.4.5,微流控分析系统中微流体驱动和控制,微流控芯片分析系统在结构上主要特征是各种构型,微通道网络，经过对通道内流体操控，完成芯片系统,分离分析功效。而研究与微通道相适应微流体驱动,技术是实现微流体控制前提和基础。,依据实现微流体控制时使用方法不一样，基本微流控技,术可分为：驱动（微泵）控制、微阀控制、芯片微通道,构型控制和通道表面性质控制。,58/87,7.5,微流控分析芯片应用,图,7.12,芯片毛细管电泳基本示意图,59/87,两种芯片毛细管电泳芯片结构,60/87,图,7.13,（,A,）细胞分析试验所采取微流控装置图像。（,B,）,A,中所表示,微流控装置中乳化和溶胞交点示意图。实线表示本体流体流动方向，,虚线是溶胞后标识组分电泳迁移方向。,61/87,图,7.14,细胞溶胞,CCD,图像。（,A,）标识过,Calcein AM,Jurkat,细胞（在,白色椭圆形内）正被流体动力传输到溶胞处。细胞图像有些变形，原因,是,CCD,摄相机积分（曝光）时间与细胞流动时间相比太长。箭头表示流,体在通道中流动方向。细胞上不清楚线和点是因为摄影机读出时象素刺,目标闪光所引发。（,B,）细胞碰到电场被溶胞荧光标识组分被注射到分离,通道中，向正极迁移。箭头所指方向为溶胞产物在通道中迁移方向。,（,C,）所观察到是分离两种荧光标识组分（用星号标出）情况。,62/87,Mathies,集成芯片研究历史改变,当前正以此研究单细胞快速判定、蛋白组高速分离、宇宙空间生命研究,简单芯片,高密度集成,63/87,96-channel radial capillary array electrophoresis microplate,Y.Shi et al.,Anal.Chem.,1999,71,5354,64/87,Reactions in droplets in microfluidic channels,Reactions in droplets in microfluidic channels,Ismagilov et al.,Angew.Chem.,65/87,Quake,Science,.,Radiolabeled Imaging Probe Synthesizer,Quake,Science,66/87,67/87,68/87,作业,8,：,简单阐述为何微全分析系统是分析化学发展趋势？,软光刻技术优点是什么？,69/87,第八章,Case Study,8.1,导言,8.2,定量分析流程,8.3Two cases studies,70/87,8.1,导言,杂乱无章、无从下手,经典定量分析流程,七个步骤,71/87,8.2,定量分析流程,72/87,步骤一：选择方法,（,1,）分析准确度（精度确与时间、投入综合考虑）,（,2,）样品数量（多与少关系）,（,3,）样品复杂程度等（组分数等）,步骤二：获取样品,代表性（尤其是非均匀样品及生物样品），分析测定,可靠性很大程度上与取样相关,步骤三：样品制备,不一样样品有不一样方法（大多数情况下，需要进行,样品制备（,哪些分析化学技术不需要样品制备？,）,73/87,步骤四：消除干扰,步骤五：校正和测量浓度,步骤六：计算结果,步骤七：估算结果可靠性,74/87,8.3.1 A case study,Deer Kill:A case study illustrating the use of analytical chemistry,To solve a problem in toxicology,问题,75/87,问题提出,在,Kentucky,西部国家野生动物保护区，一护林员在,一个小池塘边发觉了一只死白尾巴鹿！,他将该发觉上报，州动物诊疗试验室一名化学家与,他一起调查鹿死因；随即几天他们又发觉两只死鹿。,他们注意到附近草变色了，怀疑是附近用了农药，可,能是含有砷农药。,他们将死鹿运回试验室，并采集了附近草样品。,目标：,经过分析样品，确定砷存在及其形态和浓度。,从而查明鹿死亡原因，保护其它鹿或动物。,76/87,选择方法：,查阅,Offical Methods of Analysis(Association of,Offical Analytical Chemists,AOAC),，发觉生物样品中砷,分析方法：经过蒸馏将三氧化二砷转化为氢化砷（,AsH,3,），,采取光度法进行测定。,获取样品：,他们在试验室中将死鹿进行解剖，取肾（被怀疑,毒素砷主要存在于肾）。,样品制备：,将肾切碎、高速搅拌机中打坏、混合均匀；制,备试验室分析样品（,10,克，从每个死鹿）及重复测定样品。,将样品放入坩锅中加热，使有机组织转化为水和二氧化碳。,剩下干灰中可能含有,As,2,O,5,，加入,HCl,后，转化为可溶解,H,3,AsO,4,。,77/87,消除干扰：,将,H,3,AsO,4,转化为,AsH,3,，能够消除干扰。,测定浓度：,采取光度法进行测定。,78/87,计算结果：,16,和,22ppm(10 ppm),；,600ppm,（草含有砷）,估算数据可靠性：,进行三次,以上测定。,79/87,8.3.2.Case study II-DNA,测序,1953Waston and Crick,报到了,DNA,结构，说明了其作为,储存遗传信息中心作用。,James D.Watson,and,Francis Crick,who,using x-ray data collected by,Rosalind Franklin,proposed the,double helix,structure of the,DNA,molecule in,1953,.Their article,Molecular Structure of Nucleic Acids:,A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,is celebrated for its treatment of the B form of DNA(,B-DNA,),and as the source of,Watson-Crick base pairing,of nucleotides.They were,with,Maurice Wilkins,awarded,the,Nobel Prize in Physiology or Medicine,in 1962.,According to legend,as they walked into the,Eagle,pu