儀器分析：第十三章 流動注射分析法及微流控分析芯片 微流控芯片

*第十三章

流動注射分析法及微流控分析芯片13.2.1

概述13.2.2微流控芯片的基本方法與技術13.2.3應用

第二節(jié)微流控分析芯片MicrofluidicanalysischipsFlowinjectionanalysisandMicrofluidicanalysischips13.2.1概述目標:分析儀器及系統(tǒng)微型化、集成化、自動化、便攜化。微流控分析芯片則是實現(xiàn)這一整體目標的成功嘗試。分析化學學科最活躍的領域和發(fā)展前沿?！靶酒瑢嶒炇摇薄皞€人化”、“家用化”流動注射分析：煩瑣的手工操作的化學分析過程自動化的成功實現(xiàn).微流控分析芯片:

以微通道網(wǎng)絡為結構特征，以微流體的操縱和控制為核心，并將整個分析化驗實驗室的功能：采樣、稀釋、加試劑、混合、反應、分離及檢測等集成在方寸大小的微芯片上。以完成某一分析測試任務，實現(xiàn)分析全過程的微型化、集成化、自動化、便攜化的一種分析技術。

發(fā)展過程：1990年，Manz和Widmer：提出μTAS。

1992年，Manz與Harrison：展示巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1994年，美國橡樹嶺國家實驗室的工作，引起了更廣泛的關注。首屆μTAS會議在荷蘭舉行，推廣作用。

1995年之后，美國大學一系列研究：發(fā)展。2001年在美國：第五屆μTAS會議。英國皇家化學會主編：“Lab-on-a-chip”

期刊，“芯片實驗室”(Lab-on-a-chip，LOC)被廣泛接受。微流控分析芯片的特點與前景

微流控分析芯片：不僅僅是帶來設備尺寸上的變化，也預示著新的理論和技術的革新。優(yōu)點：（1）具有極高的效率；（2）試樣與試劑消耗已降低到數(shù)微升水平。（3）容易制成功能齊全的便攜式儀器，用于各類現(xiàn)場分析。（4）微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微，有利于普及。微流控(分析)芯片與微陣列(生物)芯片的對比都處于發(fā)展的初期階段，都存在問題。

協(xié)調(diào)發(fā)展。存在的問題：

整體仍處于初期階段，在總體上既不夠“微”，在分析功能也遠達不到“全”。

1.集成度不夠高。

2.多數(shù)檢測器的體積過大。

3.制作成本高限制其推廣應用。

4.處于更深入開展基礎研究、廣泛擴大其應用領域的關鍵時期。

5.前景明朗，目標明確，在不遠的將來會出現(xiàn)更大的突破。

13.2.2微流控芯片的基本方法與技術一、芯片材料與微結構的設計加工無機材質(zhì)：硅片、玻璃、石英等。

硅材料加工微泵、微閥及控制元器件等。玻璃和石英：使用最多的材料，其優(yōu)點是透光性好，機械強度高，微加工工藝成熟。

有機材質(zhì)：聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯及氟塑料等。種類多，成本低，適合大批量生產(chǎn)等。

1.材質(zhì)無機材質(zhì)和有機材質(zhì)兩大類。2.膜制備技術（1）氧化：將硅片在氧化環(huán)境中加熱到900～1100℃的高溫，可以在硅的表面上生長出一層二氧化硅。（2）化學氣相沉積：制備多晶硅、二氧化硅和氮化硅膜。（３）蒸發(fā)：真空加熱（金、硅等或三氧化二鋁、二氧化硅等）→汽化（原子或分子）→沉積（基片表面成膜）

（４）濺射

：多晶硅、二氧化硅和氮化硅膜。

真空電離（氬、氦）→轟擊（電場作用離子轟擊陰極靶）→濺射（靶原子、分子）→薄膜（陽極基片）3.微結構加工技術

三種技術：光刻和蝕刻法、模塑法及熱壓法。

(１)光刻和蝕刻技術(2)模塑法

制作出通道部分凸起的陽模，然后在陽模上澆注液態(tài)的高分子材料，固化后取下獲得具有微通道的基片。在此基礎上發(fā)展起來的微加工技術又稱為“軟刻蝕”（softlithography）技術。

(3)熱壓法

使用具有一定機械強度的陽模，在聚合物基片上壓制出凹凸互補的微通道的技術。該法適合于批量生產(chǎn)。4.封合技術

多層基片封合構成微通道網(wǎng)絡。熱鍵合（fusionbonding）方法

硅片與硅片之間的封合。玻璃芯片：加熱到溫度550~650℃。石英芯片：加熱到溫度1000℃以上。高分子聚合物芯片：溫度通常在120~180℃之間。(2)陽極鍵合(anodicbonding)法

基片和蓋片間施加高電壓，靜電引力使芯片間化學鍵合。多用于玻璃-硅片及玻璃-玻璃間的鍵合。二、微器件與微流體的驅(qū)動和控制微泵、微閥、微貯液器、微電極、微檢測器。1.微致動器與微流體驅(qū)動技術

微致動器：產(chǎn)生機械部件的運動，提供動力。

微致動器與微閥一起組成微泵：流體驅(qū)動與控制。

微致動器（1）壓電微泵

多層結構，陽極鍵合。致動器：壓電圓盤。單向閥：懸臂梁型被動閥。

改變振動頻率可改變液流的流速和脈動特性。將兩個微泵并聯(lián)反相工作有利于降低液流的脈動。

（2）熱氣動微泵

微致動器：空氣室（有彈性單晶硅隔膜）、薄膜加熱電阻。典型氣室內(nèi)徑為8mm，高為400μm。

加熱電壓比壓電致動低得多。結構緊湊、易微型化。

流量在10~100mL/min，最大泵壓可達10kPa。

（3）靜電微泵

四層結構。電極間一絕緣層。

原理：電極泵膜與固定的電極間的靜電作用產(chǎn)生驅(qū)動力。施加電壓時，兩電極間距變短，產(chǎn)生吸液動作，反之產(chǎn)生排液動作。

特點：驅(qū)動頻率遠高于熱氣動微泵，脈動較小，流動平穩(wěn)。

需要施加很高的電壓，泵壓較低。2.微閥的原理與加工技術

功能：單向閥和切換閥；有(無)致動器：主動閥(被動閥)。

（1）主動閥

原理：依靠致動器實現(xiàn)閥的開閉或切換操作。特點：動作可靠、閥密封性好；結構復雜，附加體積大，加工和集成化難度大等不足。（2）被動閥

特點：無需外動力，僅利用流體本身參數(shù)的變化（流動方向、流體壓力）即可實現(xiàn)閥的狀態(tài)改變。

優(yōu)點：具有易加工，集成度高。典型被動微閥結構：

三、微流控芯片中的各種特殊效應微通道的構型、表面性質(zhì)無論是對流體控制還是對分析效果都產(chǎn)生重要影響。1.微通道構型與彎道效應

彎道效應：試樣帶在經(jīng)過微通道的轉(zhuǎn)向區(qū)域時所產(chǎn)生的試樣帶附加（與直線通道相比）變寬的現(xiàn)象。

產(chǎn)生原因：轉(zhuǎn)向區(qū)域內(nèi)流體的流動距離和電場強度因曲率半徑的不同而存在著徑向差異。

降低方法：改變通道構型來實現(xiàn)。

降低彎道效應的主要方法：改變通道構型（a）采用成對轉(zhuǎn)向通道兩轉(zhuǎn)向區(qū)的彎道效應作用相反，可在一定程度上的相互補償，但并不能完全消除。（b）縮小轉(zhuǎn)向通道寬度，降低試樣帶變寬現(xiàn)象。（c）數(shù)學優(yōu)化獲得的構型。模擬計算結果表明彎道效應比傳統(tǒng)構型小2~3個數(shù)量級。

改變通道構型的效果對比2.微通道表面改性與多相層流實現(xiàn)復雜微流控操作：通過控制微通道表面性質(zhì)。

改性方法：涂覆改性；脈沖UV準分子激光器（KrF，248nm）照射，改變微通道內(nèi)壁的表面電荷。

多相層流控制：在一個通道內(nèi)實現(xiàn)兩個流向相反的流體同時流動的操作。電滲流的方向由通道壁上的電荷極性控制。實現(xiàn)了在一個通道內(nèi)，在同一外加電壓下，兩個流向相反的液流同時流動的情況，也即多相層流。3.層流效應與分子擴散效應

微通道：流體易形成層流狀態(tài)，微流控系統(tǒng)的重要特性。流體中的慣性效應可以忽略，不產(chǎn)生流體內(nèi)的對流作用（混合）。

應用：試樣前處理、無膜過濾、滲析、萃取、相間反應及液流切換等操作。

問題：微尺度下如何實現(xiàn)流體的快速混合。在這種情況下，分子擴散成為粒子跨越流體界面的唯一方式。目前，微尺度下如何實現(xiàn)流體的快速混合的問題是一個重要的研究方向。

層流效應的應用：無膜過濾與過濾例：血液預分離的多相層流系統(tǒng)以血液試樣為一相流體，以水溶液為另一相流體（接受液）。

分子物質(zhì)因擴散速率快于大分子物質(zhì)，首先依靠擴散穿過兩相界面進入接受液中，實現(xiàn)小分子與大分子的分離，實現(xiàn)無膜滲析的功能。血液中的小分子物質(zhì)因擴散速率快于大分子物質(zhì)，首先依靠擴散穿過兩相界面進入接受液中，實現(xiàn)小分子與大分子的分離，實現(xiàn)無膜滲析的功能。四、微流控芯片中的進樣技術

電動進樣：基于體積和時間兩種1，2處懸?。〝嚅_）。問題：

充樣時，

十字通道處擴散，降效;取樣時，泄露，干擾。無歧視現(xiàn)象。電動簡單進樣（十字進樣方式）

基于體積進樣方式。進樣技術1，2由懸浮改為接地；問題：充樣時，

十字通道處仍有擴散，降效;取樣時，泄露消除。2.“T”形通道進樣基于時間進樣方式試樣體積：充樣電壓和時間決定。優(yōu)點：簡單，充樣體積可調(diào)。缺點：有歧視現(xiàn)象；無廢液通道，換樣不便。

3.門式進樣“十”字交叉區(qū)，兩液流互不干擾。

進樣量：控制充樣電壓和時間。優(yōu)點：同時保持連續(xù)流動，分析同時快速換樣。

缺點：有歧視現(xiàn)象。

基于時間進樣方式。4.雙“T”形通道進樣（基于體積進樣）

有更大的進樣體積（調(diào)節(jié)雙“T”通道間的距離），可改變進樣量。體積進樣的優(yōu)點是消除了歧視現(xiàn)象，且進樣量固定。五、微流控芯片中的檢測技術檢測器：微流控分析芯片的一個關鍵部件。特殊要求：（1）更高的靈敏度和信噪比。（2）更快的響應速度。（3）特殊的結構（與微系統(tǒng)匹配）。（4）具有多重平行檢測，功能滿足多通道平行分析的高度集成化需要。（5）便攜與低成本。1.激光誘導熒光檢測器

Laserinducedfluorescence,LIF優(yōu)點：靈敏度10-9~10-12mol·L-1，可達單分子檢測的水平。缺點：通用性差，體積大，結構復雜，成本高。激光誘導熒光檢測器

2.集成化的LED檢測器

半導體發(fā)光二極管（LED）：可發(fā)射準單色光，體積小，壽命長及價廉的發(fā)光器件，可以集成化。3.電致化學發(fā)光檢測器

通過在電極上施加電壓來控制化學發(fā)光進而進行光度測量的檢測方法，結構簡單、靈敏度高等特點。

5mm×5mm的硅片上集成了兩組硅光電二極管，125對叉指式微電極陣列（IDA），分別作為電解發(fā)光檢測區(qū)和參比區(qū)。流通池的體積為2.25μL。13.2.3應用

1.毛細管電泳芯片

好的散熱性能，常規(guī)難以達到的極高場強（2.5kV/cm)，小體積進樣，高效、高速（106塔板數(shù)/秒）。μTAS領域中最令