分析化学 中分 第七章 自动分析技术微型全分析系统.ppt

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,微流控分析芯片的应用,微流控分析芯片，方肇伦 等编著，科学出版社，,2003,7.1,导言,传统的化学分析方法是手工分析，至今仍被广泛应用。,手工分析的缺点是,手续繁杂、速度慢,，分析结果与分析,人员的技术水平和熟练程度有关，还不可避免地使分析,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，人们根据不同的分析要,求，模拟手工分析的程序设计了各种各样的机械程序分,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、精度也有了一定的提,高。但这类程序分析器一般只适于分析一两种特定组分，,通用性差。,1950s,，“连续流动分析”技术发展起来了。它的基本思路是把,各种化学分析所要用的试剂和试样按一定的顺序和比例用,管道,和泵,输送到一定的反应区域，进行混合，完成化学反应，最后,经检测器检测并由记录仪显示分析结果，实现了,管道化的自动,连续分析,。但这些分析仍建立在,化学平衡,的基础上，速度受到,限制。,丹麦技术大学的,J.Ruzicka,和,E.H.Hansen,于,1975,年提出了,流动注,射分析,(Flow Injection Analysis,，,FIA),的新概念。把试样溶液直,接以“试样塞”的形式注入到管道的试剂载流中，不需反应进行,完全，就可以进行检测。摆脱了传统的必须在稳态条件下操作的,观念，提出化学分析可在,非平衡的动态条件,下进行，从而大大提,高了分析速度。一般可达每小时进样,100300,次。从样品注入到,检测器响应,的时间间隔一般小于,1 min,。设备较简单并灵活，操,作简便，启动和关机时间仅需几分钟，因此,FIA,技术不仅适于大,批量的常规分析，也适于少量非常规样品的自动测定。,FIA,是一种良好的微量分析技术，一般每次测定仅需,25100,L,样品溶液。由于样品与试剂用量甚微，又在封闭系统中完,成测定，因此极大地降低了对人体的毒害和对环境的污染。,现代分析化学的发展趋势是向现场、实时、动态、,高灵敏度、高选择性、高通量的方向发展！,1990s,初期发展起来的微全分析系统,(,微流控芯片、生,物芯片和芯片实验室,),为实现上述目标提供了可能性。,7.2,流动注射分析,7.2.1,流动注射分析的基本原理,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通过管道移动时，就发生带展宽或扩散。展宽区带的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),对流引起的分散c),对流和径向扩散引起,的分散；,(d),径向扩散引起的分散,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,的情况下进行。当样品通过流通池时，检测器所,记录的是连续变化的信号，可以是吸光度，电极,电势或其他物理参数，,因而不需要达到,化学平,衡,。,例如，以分光光度法测定,Cl,-,，所基于的反应是：,图,7.2,流动注射测定,Cl,-,(a),流路设计图；,(b)5-75,gmL,-1,的平行,测定；,(c)30,gmL,-1,和,75,gmL,-1,样品的快速扫描。,这些实验清楚地显示了,FIA,的基本特点：在样品通过分析,流路时，以完全相同的方法顺序处理所有的样品。即对一,个样品如何处理，对其他任何样品也以完全相同的方法进,行处理。,流动注射体系中准确体积样品的注入、重现和精,确的,定时,进样以及从注入点到检测点体系的完全相同的操,作,（,所谓控制或可控分散,），形成注入样品的浓度梯度，,从而产生瞬间的、但可,精确重现,的记录信号，使得流路中,的任何一点都能像稳态一样准确测量。一般用峰值作为分,析信号，可以获得较高的灵敏度。,受控扩散和定时重现,是流动注射分析,(FIA),的基本特点！,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,器的途中稀释的程度，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的浓度，,c,为检测器中分析物的浓度。,这里,D,仅考虑了分散的物理过程；但应该强调的是：任何,FIA,峰,都是两种过程同时发生的结果：区带分散的物理过程与样品和试,剂间发生化学反应过程。,分散系数主要受三种相互作用且可以控制的变量的影响，,即样品体积、管的长度和流动速度。,可用染料来测定,D,。,设计,FIA,体系时，需根据实验目的综合考虑各种因素的影,响，以确定最佳流路。例如，建立的,FIA,系统是用于常规,大批量分析的，那么提高分析速度、增加进样频率就是,要考虑的主要方面，就应当减少进样体积，缩短管长，,提高流速。,分散系数大致可分为,4,种情况：有限的（,D,=13,）、中度的,（,D,=310,）、高度的（,D,10,）以及减小的（,D,1,）。相应,设计的,FIA,体系已被用于各种各样的分析任务。当注入的样,品以未被稀释的形式被运载到检测器时，采用的是有限分,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）的工具。,当待测物必须与载液混合并发生反应，以形成要检测的产物,时采用中度分散。只有当样品必须被稀释到测量范围内时才,应用高度分散。减小的分散意味着检测的样品浓度高于注入,的样品浓度，即发生了在线预浓缩（例如通过离子交换柱或,经过共沉淀等）。,7.2.2,流动注射分析仪的基本组成,FIA,仪一般由流体驱动单元、进样阀、,反应管道和检测器组成。,在流动注射体系中，最常见的是用蠕动泵驱动溶液。图,7.3,表明,了蠕动泵的操作原理。,蠕动泵一般都有,810,个排列成圆圈的滚轴，通过转动的滚轴将,液体压进塑料或橡胶管。流速由马达的转速和管子的内径控制。,若固定蠕动泵的旋转速度,流速就由每个管子的内径决定。商品,化的管子具有,0.254mm,的内径，允许流速最小为,0.0005 mL/min,，,最大为,40 mL/min,。蠕动泵可以进行几个管子的同时操作，特别,适于应用多种试剂但又不能预先混合的情况。,FIA,也可以用活塞,泵，但价格较贵，且只允许单流路传送，对于多路管线，则需,几个单独的泵。,7.2.2.1,流体驱动单元,图,7.3,单管路蠕动泵示意图,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、且效果最令人满意的是类似于高效液相色谱（,HPLC,）,中所用的旋转式六通阀。注入样品的体积可以为,5 200,L,，典,型的是,1030,L,，用具有适当长度和内径的外部环管计量。这,种“塞式”注入的进样方式对载流流动干扰很小，取样和注入过,程均可精确重复。,7.2.2.3,反应管道在,FIA,管线中所用的导管多数是由细孔径的聚乙烯管和聚四氟乙,烯管组成，典型的内径为,0.50.8 mm,。反应管道,(reaction pipeline),通常是盘绕着的，可以增强径向扩散、减小轴向扩散，减弱试样塞,增宽的程度而导致更对称的峰，获得较高的灵敏度，而且可以提高,进样频率。如果在反应管道内填充直径为管道内径,60%,的玻璃球，,则称为单珠串反应器，用这种管道可以得到十分对称的峰形，而分,散程度比同规格内径的敞口直管反应器的分散度小,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,“,功能组合块,”,的装置。在,“,化学块,”,的管道连接处可以产生,“,径向效应,”,，使试样与试剂有效地混合，因而提高进样频率和分析,灵敏度。,7.2.2.4,检测器,FIA,实际上可以与任何类型的检测器,(probe unit),相匹配,这也是,FIA,取得很大成功的原因之一。例如,AAS,、,AES,、分光光度计、,荧光光度计、电化学系统、折射仪等。,带流通式液槽的分光光度计检测器是,FIA,中用得最多的。流通池,和一般吸收池的区别在于：流通池是动态测定，吸收池是静态测,定。除了为获得一定的灵敏度而要求有足够的光程外，还要求流,通池体积尽可能小，以便减少载流量、试剂量、试样量，并提高,分析速度。在液体流通的区域内要避免死角，以避免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。,下图为两种常用的玻璃或石英流通池。然而，用泵输送载流通,过分光光度计的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。因而在最近的设计中，,广泛地使用了光导纤维。这样，可以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。,图,7.4,发光光度法中的流通池,(a),固定在多数商品光度计上的,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,7.2.3 FIA,技术与应用,7.2.3.1,用于重复的和精确的样品传送（有限分散的应用）,由于,FIA,固有的严格定时性，可以用此项技术将给定的样品精确,而重复地传递到检测器，从而保证每一个测量循环过程中所有的,条件严格保持一致。,例如，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，样品的等分试样被直接吸入火焰或,等离子体,这些分析仪器的性能就会获得改善，且在某些情况下,被大大加强。与传统的样品溶液吸入法相比，可以提高进样频率，,进样速率可达,300,样,/h,。更重要的是，在一般吸入一个样品的时间,内可以分别注入两份样品，这意味着,FIA,法不仅能提高精度，也能,改善准确度。另一个优点是样品与检测器接触的时间非常短，其余,的时间可以用载液清洗检测器。这意味着有高的清洗,-,进样比，因,此可以大大地减少或消除由高浓度盐造成的燃烧器堵塞的机会。,7.2.3.2 FIA,转换技术（中度分散的应用）,FIA,转换技术,(conversion techniques),可以被定义为：借助适当,的样品预处理、试剂生成或基体改性，通过动力学控制的化学,反应使不能被检测的物质转化成可被检测的成分的过程。,在这类,FIA,体系中，分散应当足够快，以使样品和试剂部分混,合，发生反应，但又不过度分散，以免不必要的稀释待测物，,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的智能,“,转化,”,。,说明此方法应用的例子是在临床化学中有意义的硫氰酸盐的测定。,除了吸烟者外，存在于人体的硫氰酸盐浓度是极低的。硫氰酸盐,在人体中的半衰期大约是,14,天，因此通过体液（唾液、血液和尿,液）分析就很容易区别吸烟者和非吸烟者。一个测定硫氰酸盐的,快速而简便的,FIA,方法是基于以下的反应：,产物生成迅速，摩尔吸光系数很高，但随后就褪色，寿命约,10s,。,因此在生色最大的那一刻读数很重要。所用的,FIA,系统示于图,7.6,。,样品（,50,L,唾液）被注入到水载流中，随后与试剂,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，最终的混合体系中酸的浓度约为,2mol/L,。由于,FIA,可重现的,定时性，故可定量检测亚稳态的有色产物。,图,7.6,用于测定,亚稳态,反应产物的,FIA,流程图,图,7.7,用图,7.6,所示的,FIA,系统获得到硫氰酸盐信号,在,FIA,系统中可以通过多相转换技术提高分析测定的,选择性。例如把,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，以便将样品成,分转变成可检测的物质。,自从,1975,年第一篇,FIA,论文发表以来，流动注射分析,这一新颖而独特的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的应用。,它的精确控制几乎适于任何分析领域，它的灵活设计,组装使其功能可以无止境地发展。,作业,7,：,如何定义,FIA,中的分散系数,D,，对于给定的,FIA,体系如,何测定,D,?,7.3,微型全分析系统,7.3.1,导言,科学仪器在人类的整个科技发展过程中都起到极其重要的作用，,这在近代科技发展中反映得尤其突出。,分析仪器的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的需要，分析仪器的发展正在出现一个以微,型化为主要特征的，带有革命性的重要转折时期。,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),的概念以来，经历了发展初期的冷落和彷徨，在短短的十几年中,已发展为当今世界上最前沿的科技领域之一。,2001,年，英国,RSC,创刊,Lab-on-a-chip,（,芯片实验室,）。,2002,年，美国,Anal.Chem.,将,TAS,列入每两年一次的综述中，标,志着它作为分析化学的一个独立领域，已被学术界承认。并将微,流控芯片系统作为其主要发展方向。,TAS,的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限,度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成,到方寸大小的芯片上由于这种特征，本领域的一个更为通俗,的名称“芯片实验室”,(Lab-on-a-chip,LOC),已经被日益地接受。,在分析系统微型化与集成化的基础上，,TAS,的最终目标是实现,分析实验室的“个人化”，“家用化”，从而使分析科学及分析仪,器从化学实验室解放出来，进入千家万户。,微流控芯片,(microfluidic chips),是,TAS,中目前最活跃的领域和,发展前沿，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片,上的,思想，其未来的发展将对上述目标的实现起到非常重要的,作用。,Microfluidic chip,Sample preparation,Mass transport,Mixing,Reaction,Sample injection,Separation,Detection,作为分析化学的前沿技术，,TAS,的迅速发展不仅是该领域科学,工作者不懈努力的结果，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的最新成果的利用。,然而，,TAS,的实际应用目前尚处于初级阶段，对分析系统来讲,要求达到既“微”又“全”，从总体上看，还仅仅是目标，离真正实,现还有相当大的距离。,这些目标的实现必须靠大力发展微流控技术；生物,(,阵列,),芯片虽,然是很重要的生物检测手段，但难以在实际分析系统的“微、全”,方面发挥优势。,一个新学科的发展既需要强大先进的技术支撑，更需要先进的理,论指导，,TAS,在发展中还需要更多的基础理论来更深入地理解,和掌握物质在微米尺度流动状态下的行为，例如微米通道中的传,质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相关的理论研究提,出了新的挑战！,7.3.2,微型全分析系统及微流控分析芯片发展简史,微流控分析芯片的出现在现代分析科学与分析仪器的发展中有其,历史的必然性。回顾近,40,余年发展历史会看到分析系统的自动化,微型化趋势早在,1950s,和,1960s,即已出现，其发展动力主要来自于,环境及材料科学的发展中对更多更准更快地获取物质成分信息的,需要。,Skeggs,创始的间隔式连续流动分析,(segmented continuous flow,analysis,SCFA),是这一时期发展的有代表性的成功范例。其成功,之处在于首次突破了延续了,200,年的分析化学传统操作中以,玻璃,器皿和量器,为主要工具的操作模式，把分析化学转移到有流体连,续流动的,管道,中，数毫米内径数米长的玻璃或聚合物管道不仅是,化学反应的,新容器,，而且也成为分析操作实现连续化自动化的“,传送带,”。,液体连续驱动手段蠕动泵！,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,SCFA,虽然在溶液分析自动化方面取得了成功，在分析操作所,需面积的减少方面也有所贡献，但在设备和试样、试剂消耗及,微型化方面却进展不大，分析速度比传统的手工操作也无显著,提高。后者是因为限制分析速度的因素是化学反应本身，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,念的同时，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,),的观念，去除了管道中同时起,间隔与搅拌作用的气泡，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的技术条件。,他们利用了细管,道,(1 mm,内径,),中液体层流状态的可控性与重现性，加上准确的,时间即流速,),控制，实现了重现、但非完全的混合状态，并在此,基础上来实现重现、而未必完全的化学反应。,这一观念的提出大大地提高了分析速度，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的微型化。试样与试剂消耗,从,10 mL,水平降低到,10,200,L,水平。分析操作也从简单的自动,进样,-,检测发展到包括溶剂萃取、柱分离、沉淀、共沉淀、气,-,液,分离、渗吸等在内的试样多种前处理自动化。,经过,30,年的发展，,FIA,已经渗透到涉及溶液分析的几乎所有分析,化学领域，不仅促进了分析化学自动化和微型化的发展，同时也,为,TAS,的提出铺平了道路。,Ruzicka,和,Hansen早在,1984,年就提出了集成化微管道系统,(,Integrated microconduit systems,IMCS),的概念，并取得了一定,的成功。但由于当时科学技术整体水平的局限性，至少他们当时,并未清楚地意识到需要通过多学科交叉来进一步发展他们的学术,思想，从而错过了一次重要的发展机遇！,Manz,和,Widmer,则在发展,TAS,方面要显得更为幸运和富有远见。,他们最初的尝试是首先把,FIA,转移到微加工芯片上。所构建的流,动注射光度测定,TAS,装置为多层芯片结构，主要是采用了单晶,硅材料加工。装置的复杂性使人们对其未来发展前景不敢过于乐,观。,然而当时分析化学另一学科的迅速崛起为,TAS,提供了一个重要,的发展机遇毛细管电泳分离！一方面，毛细管电泳为,TAS,提,供了方便灵活的，在微尺度下电渗驱动手段；另一方面，在芯片,上加工的毛细管电泳,-,TAS,又显示出比传统毛细管电泳更优良的,性能。,Manz,与,Harrison,于,1992,年合作发表了首篇微加工芯片上完成的毛,细管分离的论文，展示了,TAS,的发展潜力。随后，科学家们迅速,把,TAS,的发展重点定位在基于,MEMS,技术的平板玻璃或石英芯片,上的电渗驱动的毛细管电泳分离微流控系统。,1994,年以后，美国一些著名大学研究组的介入使该领域的发展,迅速出现高潮。,1994,年,Ramsey group1995,年,Mathies group,1995,年,Caliper Technologies,公司,1995,年,Whitesides group,1999,年惠普公司研制出第一台微流控芯片商品化仪器开始销售,2001,年,Lab-on-a-chip,学术季刊创建,2001,年中国自然科学基金委启动第一个重大研究计划,7.3.3,微型全分析系统的分类,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,。它们均依托于,MEMS,技术，目前又,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。,微阵列芯片目前的主要应用对象是,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的。,微流控芯片主要是在分析化学的学科领域发展起来的。,表,7.1,图,7.9 (a),典型的微流控芯片,(b),典型的微阵列,(,生物,),芯片,Microarray(Bio)Chips,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:,7.3.4,流控分析芯片特点,微流控芯片的优点,(1),微流控芯片具有极高的效率，可在数秒至数十秒时间内自动,完成分离、测定或其他更复杂的操作。分离和分析速度常高于,相对应当宏观分析方法一至二个数量级。其高分析或处理速度,即来源于微米级通道中的高导热和传质速率，也直接来源于结,构尺寸的缩小。,(2),微流控分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并随着,技术的提高，还可能进一步减少。降低了分析费用户贵重生物,试样的消耗，也减少了环境的污染。,(3),用微加工技术制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多个部件,与功能可能集成在数平方厘米的芯片上，在此基础上易制备功,能齐全的便携式仪器，用于各类现场分析。,(4),微流控芯片的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。,微流控芯片的局限性,(1),作为,TAS,的主要发展前沿，当前的微流控芯片系统总体,上既不够“微”，分析功能也远达不到“全”。主要原因是集成,度不够高，多数检测器的体积过大，实现集成化还有很长的,路要走。,(2),在目前加工条件下微流控分析制作成本还难以满足有关成,果推广应用的要求。一块供研究用的标准玻璃芯片价值,100,多,美元。一块供分析,12,个试样的一次性专用芯片价值,10,美元。,(3),目前报道的大部分微流控芯片分析系统不包括试样的前处,理功能，即功能不够全，为了解决实际试样的分析，这方面,的研究需要在应用领域的实用过程中大大加强。,7.3.5,微流控芯片的分类,根据芯片材料的不同可分为：,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。,根据功能不同可分为：,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；多功能集成芯片。,7.3.6,微型全分析系统的发展趋势与展望,(1),继微阵列,(,生物,),芯片后，微流控分析芯片已成为,TAS,当前的发,展前沿。例如，近期,TAS,的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核心分析技术,发展到液,-,液萃取，过滤，无膜扩散等多种分离手段。,(3),TAS,从以电渗流为主要驱动手段发展到包括流体动力，气压,重力，离心力，剪切力等多种分离手段。,(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,2003,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多种检测手段，,如光度法，电化学，质谱，原子光谱，化学发光等。,(6),TAS,已开始从单纯的毛细管电泳分离检测发展到包括复杂试,样前处理的高功能全分析系统。,(7),TAS,已开始从成分分析工具发展到包括在线检测的微型化学,反应与合成手段，在新药筛选中显示出强大的生命力。,(8),微流控芯片已开始从进行一般成分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，尤其在芯片的产业化方面，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，通道及结构长度的缩小对传,统流体力学提出了新的挑战。通过数学模型的建立及计算机模拟,手段可望大大简化微流控系统的设计。,(11),微流控系统在细胞分类、分析，甚至微生物的培养中，都正,在显示出其独特的优越性，而吸引了众多研究力量的投入。,(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。商业领域的竞争将日趋激化。,10,年？,20,年？,7.4,微流控分析芯片加工技术,7.4.1,微流控分析芯片的结构和加工特点,微流控分析芯片是通过微加工技术将,微管道、微泵、微阀、微,储液器、微电极、微检测元件，窗口和连接器等功能元件像集成,电路一样，使它们集成在芯片材料,(,基片,),上的微全分析系统。,其结构和加工特点如下：,(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，对加入微通道中的流体进行控制与分离测定，,以完成多种分析功能，如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检,测等。,(2),微流控分析芯片的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，因此也,发展了有机聚合物材料的加工技术。在传统的光刻和蚀刻的基础,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。,Microfluidic chip,silicon,、,glass,and quartz,polymers,microlithography,chemical etching,modling procedure,microcontact printing thermopress,soft lithography,(DRIP,SFB,ECR),Materials,Fabrication tech,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,以上的紫外,和可见光；（,4,）耐用且有一定的化学惰性；（,5,）无毒、价廉。,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的前提条件。,微流控分析芯片上微通道的制作，起源于制作半,导体及集成芯片所广泛使用的光刻,(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。,图,7.10,光刻和蚀刻的基本工序,光刻和蚀刻技术是由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成。,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通过曝光成像的原理转移到光胶层上的工艺工程称为光刻（涂覆光胶、光刻机通过曝光将掩模上光胶转移到光胶层、显影液溶解）。,蚀刻：,将光胶层上的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的工艺（湿法蚀刻和干法蚀刻）。,通过选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所需要的微结构。复杂的微结构可通过多次重复薄膜沉积,-,光刻,-,蚀刻这三个工序来完成。,光刻掩膜的制备,光刻,掩膜的基本功能是当光线照射其上时，图形区和,非图形区对光线的吸收和透射能力不同。如下图所示。,7.4.4,高分子聚合物微流控芯片的加工技术,高分子聚合物基片上制作微通道的技术有模塑法，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的光刻而言的微,图形转移和微制造的新方法。因光刻不但需要昂贵的设备,和超净实验室，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，发展了一种新的低成本的微细,加工新技术“,软光刻”（,soft lithography,软光刻技术的,核心是图形转移元件,-,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。它不仅可,在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道，而且可以改变,材料表面的化学性质，有可能成为低成本的微流控分析芯,片的新方法。,图,7.11,模塑法复制弹性印章,制作弹性印章的最佳材料,是,PDMS,。采用光刻等技术,先制得有关微结构的母模，,用模塑法在其上浇注,PDMS,，,固化剥离得到表面精细图形,的,弹性印章。,表面自由能低，化学性质,稳定，与其他材料不黏连；,与基片正交接触严密，容易,取模；柔软，易变形，弹性,好，可在曲面上复制微图,形。,7.4.5,微流控分析系统中微流体的驱动和控制,微流控芯片分析系统在结构上的主要特征是各种构型的,微通道网络，通过对通道内流体的操控，完成芯片系统,的分离分析功能。而研究与微通道相适应的微流体驱动,技术是实现微流体控制的前提和基础。,根据实现微流体控制时使用方法的不同，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。,7.5,微流控分析芯片的应用,图,7.12,芯片毛细管电泳的基本示意图,两种芯片毛细管电泳芯片结构,图,7.13,（,A,）细胞分析实验所采用的微流控装置的图像。（,B,）,A,中所示,的微流控装置中乳化和溶胞交点的示意图。实线表示本体流体流动的方向，,虚线是溶胞后标记组分的电泳迁移方向。,图,7.14,细胞溶胞的,CCD,图像。（,A,）标记过,Calcein AM,的,Jurkat,细胞（在,白色椭圆形内）正被流体动力传输到溶胞处。细胞的图像有些变形，原因,是,CCD,摄相机的积分（曝光）时间与细胞流动的时间相比太长。箭头表示流,体在通道中的流动方向。细胞上不清楚的线和点是由于照相机读出时象素刺,目的闪光所引起的。（,B,）细胞遇到电场被溶胞荧光标记的组分被注射到分离,通道中，向正极迁移。箭头所指的方向为溶胞产物在通道中迁移的方向。,（,C,）所观察到的是分离两种荧光标记组分（用星号标出）的情况。,Mathies,集成芯片研究历史变化,目前正以此研究单细胞快速鉴定、蛋白组高速分离、宇宙空间生命研究,简单芯片,高密度集成,96-channel radial capillary array electrophoresis microplate,Y.Shi et al.,Anal.Chem.,1999,71,5354,Reactions in droplets in microfluidic channels,Reactions in droplets in microfluidic channels,Ismagilov et al.,Angew.Chem.2006,Quake,Science,2005.,Radiolabeled Imaging Probe Synthesizer,Quake,Science,2005,作业,8,：,简单阐述为什么微全分析系统是分析化学的发展趋势？,软光刻技术的优点是什么？,第八章,Case Study,8.1,导言,8.2,定量分析的流程,8.3Two cases studies,8.1,导言,杂乱无章、无从下手,典型的定量分析流程,七个步骤,8.2,定量分析的流程,步骤一：选择方法,（,1,）分析精确度（精度确与时间、投入的综合考虑）,（,2,）样品的数量（多与少的关系）,（,3,）样品的复杂程度等（组分数等）,步骤二：获取样品,代表性（特别是非均匀的样品及生物样品），分析测定,的可靠性很大程度上与取样有关,步骤三：样品制备,不同的样品有不同的方法（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？,）,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：估算结果的可靠性,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,问题的提出,在,Kentucky,西部的国家野生动物保护区，一护林员在,一个小池塘边发现了一只死的白尾巴鹿！,他将该发现上报，州动物诊断实验室的一名化学家与,他一起调查鹿的死因；随后几天他们又发现两只死鹿。,他们注意到附近的草变色了，怀疑是附近用了农药，可,能是含有砷的农药。,他们将死鹿运回实验室，并采集了附近的草样品。,目的：,通过分析样品，确定砷的存在及其形态和浓度。,从而查明鹿死亡的原因，保护其他的鹿或动物。,选择方法：,查阅,Offical Methods of Analysis(Association of,Offical Analytical Chemists,AOAC),，发现生物样品中砷的,分析方法：通过蒸馏将三氧化二砷转化为氢化砷（,AsH,3,），,采用光度法进行测定。,获取样品：,他们在实验室中将死鹿进行解剖，取肾（被怀疑,的毒素砷主要存在于肾）。,样品制备：,将肾切碎、高速搅拌机中打碎、混合均匀；制,备实验室分析样品（,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。,剩余的干灰中可能含有,As,2,O,5,，加入,HCl,后，转化为可溶解,的,H,3,AsO,4,。,消除干扰：,将,H,3,AsO,4,转化为,AsH,3,，可以消除干扰。,测定浓度：,采用光度法进行测定。,计算结果：,16,和,22ppm(10 ppm),；,600ppm,（草含有砷）,估算数据的可靠性：,进行三次,以上测定。,8.3.2.Case study II-DNA,测序,1953Waston and Crick,报到了,DNA,的结构，阐明了其作为,储存遗传信息的中心作用。,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,pub in,Cambridge,Crick announced,We ha