微流控芯片系統(tǒng)中固液雙相分離富集技術(shù)

1、收稿:2006年2月, 收修改稿:2006年4月3國家自然科學(xué)基金項目(N o. 90307015、20007005 和重慶市重點自然科學(xué)基金項目(N o. 20675089 資助33通訊聯(lián)系人e 2mail :xuyibbdyahoo. com微流控芯片系統(tǒng)中固液雙相分離富集技術(shù)3徐溢1,233張劍1徐平洲1盧倩1曾雪1溫志渝2(11重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院重慶400044; 21重慶大學(xué)微系統(tǒng)研究中心重慶400044摘要發(fā)展微流控芯片系統(tǒng)中的分離富集技術(shù), 是微全分析系統(tǒng)向集成化、自動化和便攜化發(fā)展必須突破的瓶頸之一, 正逐步成為微全分析系統(tǒng)研究和應(yīng)用領(lǐng)域的前沿和熱點。本文針對應(yīng)用廣泛的固液雙

2、相分離富集技術(shù), 詳細(xì)介紹了過濾式、膜分離式、固相萃取式等不同分離富集操作模式在微流控芯片系統(tǒng)中的應(yīng)用, 對每一種操作模式的特點、研究現(xiàn)狀、存在的問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞微流控芯片系統(tǒng)固液雙相分離富集過濾膜分離固相萃取中圖分類號:O658; Q503文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:10052281X (2007 01207Separation and Concentration 2Dual Phase I Chip System1331Xu Pingzhou 1Lu Qian 1Zeng Xue 1Wen Zhiyu2(11C ollege of and Chemical Engineeri

3、ng , Chongqing University , Chongqing 400044, China ;21Research Center of Micro 2System of Chongqing University , Chongqing 400044,China Abstract With the developing of miniaturized total analytical system (T AS , much m ore attention is paid to integration , automation and portability of analytical

4、 systems. H owever , the sam ple pretreatment methodology integrated onmicro 2fluidic chip became a bottleneck for 2T AS , and was focused by researchers in this field. The im portant sam ple pretreatment technology based on s olid 2liquid dual phase interaction is introduced in this paper. Differen

5、t operational m odes , such as filtration , membrane separation and s olid 2phase extraction , are discussed in detail. Furtherm ore , the characteristics , current developments , existing problems and trends of these operational m odes are reviewed.K ey w ords micro 2fluidic chip system ; s olid 2l

6、iquid dual phase separation and concentration ; filtration ; membrane separation ; s olid 2phase extraction1引言以微機(jī)電加工技術(shù)(ME MS 為基礎(chǔ)的微全分析系統(tǒng)(T AS , 又稱芯片實驗室,lab 2on 2a 2chip 由于具備可實現(xiàn)自動化、連續(xù)化和縮微化分析的特點, 從而能夠極大地減少試劑的消耗量、縮短分析時間、提高分析檢測效率。經(jīng)過十幾年的發(fā)展, T AS 在疾病診斷、生化分析、臨床檢測等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。目前T AS 的主要應(yīng)用對象是生命體系, 其基底和成分復(fù)雜, 基體

7、效應(yīng)與各種干擾組分共存, 以致在微流控芯片系統(tǒng)的實際應(yīng)用中, 生化樣品的分離富集預(yù)處理較為困難。目前大部分預(yù)處理過程都是在微芯片外實現(xiàn)的, 這必然會造成樣品的損失與污染, 同時不利于T AS 的集成化。樣品預(yù)處理的優(yōu)劣程度是最終能否實現(xiàn)有效分析的關(guān)鍵, 而微流控芯片上的樣品預(yù)處理過程制約著整個T AS 集成化的發(fā)展, 因此, 發(fā)展微流控芯片系統(tǒng)中的分離富集技術(shù), 是微系統(tǒng)發(fā)展必須突破的瓶頸之一。國內(nèi)外針對微流控芯片系統(tǒng)中的樣品預(yù)處理方法和技術(shù)的研究方興未艾, 目前已提出了多種相關(guān)第19卷第1期 2007年1月化學(xué)進(jìn)展PROG RESS I N CHE MISTRYVol. 19No. 1Jan

8、. , 2007的方法和技術(shù)14, 如基于電驅(qū)動的場放大堆積、等速電泳、等電聚焦; 基于磁場、聲場作用的場效應(yīng)分離、超聲波分離; 基于液液雙相相互作用的多相層流、液液萃取以及基于固液雙相相互作用的過濾、膜分離、固相萃取等。這些方法各有特色和優(yōu)勢, 其中, 固液雙相分離富集是一種既可實現(xiàn)待測物的濃縮富集又能夠去除雜質(zhì)組分干擾的樣品預(yù)處理技術(shù), 而且它比較容易與微流控芯片系統(tǒng)結(jié)合實現(xiàn)片上操作。與微流控芯片系統(tǒng)中的其它樣品預(yù)處理方法相比, 微流控芯片系統(tǒng)中固液雙相分離富集技術(shù)具有很多優(yōu)勢, 如:操作過程簡單, 易于在微芯片上實現(xiàn)集成與控制; 通過選擇合適的固相載體可以提高對目標(biāo)分析物的選擇性等。本文

9、在對前期T AS中微分離技術(shù)已有的實驗和研究基礎(chǔ)之上57, 重點針對微流控芯片系統(tǒng)中的固液雙相分離富集方法和技術(shù), 根據(jù)操作模式的不同, 系統(tǒng)中過濾式、特點及其應(yīng)用, 詳細(xì)的探討。2過濾式分離富集過濾式分離富集即指在微通道內(nèi)加工制作成堰、柵欄、柱、篩等微器件, 當(dāng)含有不同粒徑顆粒的分析試樣流經(jīng)微器件時, 根據(jù)顆粒大小不同, 截留某些顆粒, 而讓另一組分滲透通過過濾器件實現(xiàn)固液分離的過程。它具有工作原理簡單, 不需要選擇特殊溶液進(jìn)行洗脫的優(yōu)點。然而其制作微器件過程相對復(fù)雜, 且要求目標(biāo)分析物與雜質(zhì)顆粒有明顯的尺寸差異。微過濾器件的制作是實現(xiàn)分離預(yù)處理的前提, 微加工技術(shù)的芯片研制方法及其在生化分

10、析中的應(yīng)用國內(nèi)外均有報道8,9。根據(jù)不同的芯片材料, 加工技術(shù)不同。對于硅、玻璃、石英芯片, 常見的加工技術(shù)有光刻、蝕刻等; 對于聚合物芯片而言, 常見的加工技術(shù)有LIG A 、激光燒蝕等。根據(jù)過濾性能指標(biāo)參數(shù), 制作不同形狀、大小、深度的過濾器件以滿足不同場合的過濾需要是實現(xiàn)有效分離富集的重要因素。Wilding 等10,11制作了平行于芯片微通道的軸向矩形過濾床, 當(dāng)試樣沿著微通道軸向進(jìn)入芯片時, 小于濾孔尺寸的微粒就流出芯片系統(tǒng)。因此在血液樣品流經(jīng)芯片時, 分離了不同大小的細(xì)胞。但是, 軸向過濾床的過濾容量有限。He 等12采用深度反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(DRIE , 在芯片微通道內(nèi)刻蝕出立方

11、形微柱陣列橫向過濾床, 該過濾床在增大過濾容量的同時, 有效地除去了溶液中細(xì)胞、灰塵等大小不等的顆粒, 實現(xiàn)了對目標(biāo)分析物的純化過程。此過程中的過濾吸附為物理式吸附, 故仍需與其它功能配件連用以增加檢測靈敏度。Broyles 等13在微芯片樣品入口端制作了如圖1所示的7個1m 深,18m 寬的陣列式通道, 對樣品進(jìn)行過濾式預(yù)處理, 隨后在5m 深,25m 寬的通道內(nèi)涂覆C18固定相 , 進(jìn)行待測物的預(yù)濃縮和分離, 使分析信號增大了400倍。圖1帶有陣列式過濾通道的芯片結(jié)構(gòu)示意圖13Fig. 1Schematic of the microchip with array filter channe

12、ls :S , sample ; SW , sample waste ; B1, bu ffer 1; B2, bu ffer 2; AW ,analysis waste ; T ,T 2interesection ; V ,valve13微流控芯片系統(tǒng)中, 在設(shè)計和制作滿足樣品分析需求的微器件的前提下, 即可實現(xiàn)樣品中不同粒徑組分的簡單分離富集。目前, 基于微過濾原理的細(xì)胞分離芯片已在微流控系統(tǒng)中實現(xiàn)了樣品預(yù)處理。但是, 微器件的制作相對困難, 同時, 增大過濾容量、有效處理過濾物以及過濾器件與后續(xù)分析功能相集成也是有待解決的問題。3膜分離富集膜對試樣中待測物質(zhì)的分離富集作用, 主要是利用膜

13、的選擇性, 以膜的兩側(cè)存在一定量的能量差作為推動力, 根據(jù)溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實現(xiàn)分離, 其操作過程屬于速率控制的傳質(zhì)。包括物理與化學(xué)兩種選擇方式, 前者主要是根據(jù)組分質(zhì)量、體積、形態(tài)等差異將其分離; 后者則是由于781 第1期徐溢等微流控芯片系統(tǒng)中固液雙相分離富集技術(shù)組分與膜材料之間化學(xué)性質(zhì)的差異實現(xiàn)分離富集。優(yōu)異的膜材料是實現(xiàn)分離富集的關(guān)鍵。用于試樣預(yù)處理的膜材料有:聚酰亞胺、纖維素、有機(jī)硅、硅酸鈉、雙層磷脂等。另外, 利用膜作為生物催化劑的固定化載體, 對原有膜材料進(jìn)行改性, 所獲得的多種類型的改性膜材料也多有應(yīng)用, 其可以增加對目標(biāo)物的選擇性, 獲得更好的分離富集效果14,

14、15。微流控芯片系統(tǒng)中, 膜對目標(biāo)物的富集程度除與膜材料的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)外, 還受到富集時間、溶劑條件、最初的樣品體積、膜所在的預(yù)富集通道體積比等因素的影響。F oote 等16在樣品儲備池與預(yù)富集通道體積比為106的微流控芯片上, 利用多孔膜對蛋白質(zhì)樣品進(jìn)行富集, 以S DS 2CGE 分離, 最終使信號增大了600倍。微流控芯片系統(tǒng)中, 等, 激光刻蝕出微通道, 一樣夾在三塊聚碳酸酯芯片之間, 對生物試樣進(jìn)行了快速而有效的脫鹽、去除大分子的在線預(yù)處理, 隨后的質(zhì)譜分析獲得的結(jié)果與試樣不通過透析膜相比, 信噪比大大地增強(qiáng)了。但是, 該膜尺寸與芯片相近, 分析過程需要大量的樣品, 以致分析過程

15、耗時。為了克服這一缺點, 微透析膜逐漸發(fā)展起來。微透析膜主要有3類:三明治式膜18、透析管19、微透析探針20。K handurina 等21在利用電泳對試樣中DNA 組分進(jìn)行分析之前, 在試樣口與側(cè)通道之間加裝了硅酸鈉多孔膜, 該膜允許溶劑和小分子通過, DNA 則被阻擋、聚集, 導(dǎo)致濃度不斷提高, 該膜的引入使DNA 的富集倍數(shù)提高了兩個數(shù)量級。S ong 等22提出了采用激光誘導(dǎo)相分離聚合反應(yīng), 在玻璃微芯片上原位制備厚度為750m 的多孔微透析膜的新方法。通過控制相分離過程, 可以獲得不同孔徑以滿足不同需要的膜材料。該膜在寬pH 值范圍、極性溶劑條件下, 經(jīng)多次重復(fù)使用, 均獲得了較好

16、的穩(wěn)定性和結(jié)果的重現(xiàn)性。利用膜對微量樣品預(yù)處理的技術(shù)得到了廣泛發(fā)展, 但在微流控芯片系統(tǒng)中相關(guān)的研究和應(yīng)用相對較少, 但其具有很好的應(yīng)用前景。如何在微流控芯片系統(tǒng)中有效地將膜材料與微流控芯片有機(jī)地結(jié)合, 更好地提高膜對目標(biāo)分析物的分離富集效率; 如何在微體系下減小膜污染, 增加膜使用壽命而不影響分離富集效率等, 將成為膜分離技術(shù)應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問題。4固相萃取分離富集固相萃取(s olid 2phase extraction , SPE 利用選擇性吸附與選擇性洗脫的分離原理, 可實現(xiàn)樣品的分離、純化和富集。利用固體吸附劑將液體樣品中的目標(biāo)化合物吸附, 與樣品的基體和干擾化合物分離, 再選用適

17、當(dāng)?shù)娜軇_去雜質(zhì), 然后用少量溶劑迅速洗脫, 從而達(dá)到快速分離和富集目標(biāo)化合物的目的。與宏觀體系中固相萃取不同的是, 在微流控芯片系統(tǒng)中, 由于微體系的縮微化, 大大減小了樣品及試劑的用量, 縮短了萃取所需要的時間, 提高了萃取效率。, 操作過程步:在萃取樣品之前用, 使其保持濕潤或恢復(fù)活 , 以便吸附目標(biāo)化合物; (2 進(jìn)樣:樣品通過電驅(qū)動或壓力驅(qū)動等形式流過吸附劑; (3 緩沖液平衡吸附劑:利用緩沖液將殘留在微通道中的試樣逐出分析系統(tǒng); (4 洗脫待測物:用少量溶劑迅速將待測物從吸附劑上洗脫下來, 進(jìn)行后續(xù)的分析操作。整個操作過程中, 富集倍數(shù)N 可表示為:N =c c 0(1 N =pV

18、 F(2式(1 中, C 0、C i 分別為目標(biāo)待測物在原始樣品及富集洗脫后溶液樣品中的濃度; 由于C 0往往是未知的, 因此, 富集倍數(shù)也可以用體積公式(2 來表示, p 為相轉(zhuǎn)移率; V i 、G F 分別為試樣溶液體積和洗脫液體積。由此式可知, 進(jìn)樣和洗脫兩個過程直接影響到最終獲得的富集倍數(shù)的大小。與進(jìn)樣過程相關(guān)的進(jìn)樣體積、試樣溶液的濃度、進(jìn)樣時間, 與洗脫過程相關(guān)的洗脫液的極性、體積、流速等因素都影響到吸附劑對目標(biāo)化合物的富集效率。實驗中優(yōu)化上述參數(shù), 可以獲得樣品的理想富集倍數(shù)。固相萃取的效能從本質(zhì)上講取決于吸附劑的結(jié)構(gòu)和性能。體現(xiàn)為對復(fù)雜樣品體系分離能力的高低以及獲得的富集倍數(shù)的大

19、小。在微流控芯片系統(tǒng)中, 按照吸附劑存在形式的不同, 固相萃取可分為開口管、填充柱和整體柱3種類型。411基于開管式分離富集基于開管式吸附劑的制備通常是將固定相以液體狀態(tài)充入芯片微通道中, 含有所需功能團(tuán)的固定881化學(xué)進(jìn)展第19卷相通過涂漬、鍵合等方法結(jié)合到微通道內(nèi)壁從而形成開管式固相萃取吸附劑。涂漬法是一種簡單的基于物理吸附的開口管制備方法, 只需要將涂漬試劑加入微通道中即可。一些研究小組2326在微通道內(nèi)涂漬十八烷基硅烷固相萃取吸附劑, 并在電色譜模式下, 對試樣組分進(jìn)行分離富集, 有效地增強(qiáng)了檢測信號。K utter 等26在玻璃芯片通道內(nèi)涂漬C18固定相, 成功地對中性香豆精染料C4

20、60進(jìn)行了富集, 當(dāng)817nm ol L 樣品通過電動進(jìn)樣進(jìn)入微通道后, 通過改變緩沖液乙腈的濃度進(jìn)行洗脫, 在160s 的富集時間內(nèi), 香豆精染料濃度增加了80倍。Dodge 等27在玻璃芯片通道內(nèi)設(shè)計了一個pl 級的免疫反應(yīng)池, 在池內(nèi)涂漬蛋白A , 利用蛋白A 對兔免疫球蛋白(rlgG 極強(qiáng)的親合作用, 在免疫親合色譜模式下, 電驅(qū)動試樣通過反應(yīng)池, 則稀溶液中的rlgG 抗體濃縮到固定相表面育200s 之后, 獲得rlgG ol L , , 分析穩(wěn)定性變差, 使其應(yīng)用受到了一定的限制。因此, 在通道內(nèi)壁通過化學(xué)鍵合制備固相萃取吸附劑的方法得到了發(fā)展?；诓ＡА⒐?、有機(jī)聚合物等表面鍵合的

21、方法已有大量報道。其中, 玻璃或硅材料制成的芯片, 其表面通過酸或堿處理后可產(chǎn)生較多的可與硅烷化試劑反應(yīng)的硅羥基, 因此廣泛地作為表面鍵合的基質(zhì); 另外, 有機(jī)聚合物微流控芯片由于加工制作過程簡單、價格便宜, 有望在商業(yè)上獲得大規(guī)模的使用28, 因而成為目前研究的熱點。Henry 等29利用氨解作用, 在PM M A 表面鍵合上氨基功能團(tuán), 通過烷烴橋聯(lián)作用, 能進(jìn)一步吸附有氨基基團(tuán)的化合物。實驗獲得了末端鍵合有氨基基團(tuán)的PM M A 芯片, 有效地實現(xiàn)了對DNA 限制性酶的固定, 從而限制了dsDNA 的吸附。氨基修飾的PM M A 芯片可進(jìn)一步與各種試劑(如n 2C 18H 37等 反應(yīng),

22、 提供帶有不同功能基團(tuán)的PM M A 表面, 對不同目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行分離。為了獲得性能優(yōu)異的通道表面以實現(xiàn)對目標(biāo)分析物高選擇性的分離富集, 對各種表面修飾材料的研究成為一個重點。聚硅烷、聚酰胺、樹脂等被廣泛用作修飾的材料; 將蛋白質(zhì)、酶等生物分子固定在微通道表面作為固相萃取的吸附劑也是一種新的方法30。與此同時, 生物分子的固定化技術(shù)也得到了極大的發(fā)展31。其中,s ol 2gel 技術(shù)被普遍認(rèn)為是一種相對溫和的固定化方法, 在固定化過程中, 生物分子被捕獲在不斷增長的凝膠網(wǎng)絡(luò)中, 而不是被物理或化學(xué)地吸附在通道上32。因此得到的固定相使得生物分子更能夠抵抗熱或某些化學(xué)環(huán)境下可能引起的失活現(xiàn)象,

23、大大提高了吸附容量及操作的穩(wěn)定性33。Qu 等34在PM M A 芯片微通道內(nèi)引入硅烷試劑, 進(jìn)行溶膠凝膠反應(yīng), 所得的凝膠具有大的表面積、多孔性、親水性, 蛋白質(zhì)被固定在凝膠網(wǎng)絡(luò)中, 對該固定相性能進(jìn)行評價, 實驗獲得了優(yōu)良的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。在開管式固相萃取模式下, 吸附容量受到通道比表面積的限制, 較厚的液膜會增大傳質(zhì)阻力, 因此, 發(fā)展新型的吸附材料以及修飾技術(shù), 合理地選擇。物理吸附主要指利用填充微粒對試樣中不同粒徑組分的攔截作用, 選擇性地讓一部分組分通過而截留另一部分組分, 達(dá)到分離純化的目的; 化學(xué)吸附指對填充微粒表面進(jìn)行化學(xué)修飾后, 使其具有選擇性吸附某類物質(zhì)的能力, 而實現(xiàn)分

24、離富集。利用填充式吸附劑進(jìn)行分離富集的操作過程為:首先通過微加工技術(shù)直接在芯片通道中形成圍堰、柵欄、壩等微結(jié)構(gòu)以作為固定相填充床, 再將硅膠、微珠等顆粒通過電驅(qū)動或壓力驅(qū)動引入填充床作為固相萃取吸附劑, 然后對試樣中目標(biāo)物進(jìn)行分離富集。與開管式固相萃取相比, 填充式固相萃取能獲得更大的比表面積, 有利于提高對目標(biāo)物的分離富集效率。Ceriotti 等35在PDMS 芯片上設(shè)計了一個雙T 通道和一個與之相通的錐形通道, 將3m 的十八烷基硅膠微粒引入到錐形通道內(nèi), 通過“楔石效應(yīng)”使其形成填充柱吸附劑, 在電泳模式下, 以FITC 標(biāo)記的氨基酸作為樣品對象 , 對該吸附劑的穩(wěn)定性及吸附性能進(jìn)行評

25、價, 效果良好。Oleschuk 等36在玻璃芯片上制作了330pl 的雙圍堰式填充床, 在電滲流的驅(qū)動下使1154m 的ODS 顆粒沿著芯片上的微通道進(jìn)入填充床并使其固定。作為固相萃取吸附劑, 對熒光試劑BODIPY 進(jìn)行富集, 當(dāng)富集時間從120s 到532s 時, 富集倍數(shù)從80增大到500; 使用該裝置, 消除了死體積, 不存在由于離線富集而引起的樣品損失與污染的現(xiàn)象, 極大地提高了富集效率。該小組37在隨后的研究中, 發(fā)展了雙圍堰填充床的制備981第1期徐溢等微流控芯片系統(tǒng)中固液雙相分離富集技術(shù)技術(shù), 獲得穩(wěn)定性更好、使用壽命更長、富集效率更高的吸附劑, 并在CEC 模式下實現(xiàn)了對氨

26、基酸樣品的定量分析。Anderss on 等38提出了用于固定填充劑的微結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足的要求, 即:對流動相有較小的流體阻力; 能有效截留雜質(zhì)微粒; 體積應(yīng)相對集中以便于檢測。他們在微流控芯片系統(tǒng)中設(shè)計了如圖2所示的3種不同形狀的過濾器, 對三者性能進(jìn)行了比較后認(rèn)為,c 形填充結(jié)構(gòu)能夠獲得較小的流體阻力, 較高的吸附容量, 而不影響檢測靈敏度 。圖2固定填充劑的微結(jié)構(gòu)設(shè)計圖38Fig. 2Schematics of micro device for 38, 這是在微流控芯片系統(tǒng)中進(jìn)行非均相免疫分析最關(guān)鍵的步驟。其中, 通過在微珠表面固定抗體, 再將其填充到芯片的通道中, 對抗原進(jìn)行吸附富集,

27、是一種重要的分離富集方法。常用的微珠有聚苯乙烯微珠、瓊脂凝膠微珠及磁性微珠等。Sato 等39,40先后將抗體固定在聚苯乙烯微珠上, 然后填充在具有堤壩結(jié)構(gòu)的通道中, 使微珠保持在通道中, 作為抗原的吸附劑, 進(jìn)行免疫反應(yīng), 該方法獲得了極低的檢測限。Choi 等41通過磁場將表面固定有生物素標(biāo)記抗體的磁珠固定在芯片通道中, 通過控制磁場, 可以 方便地引入或排出磁珠, 操作簡單。另外, 多孔硅由于具有高的比表面積、優(yōu)異可控制的孔性能、非特異性吸附少、穩(wěn)定性好等優(yōu)點, 目前在微流控芯片系統(tǒng)非均相免疫分析中也被廣泛地用作蛋白質(zhì)或DNA等生物分子的固定載體4244。Breadm ore 等43,4

28、4通過s ol 2gel 反應(yīng)將DNA 固定在凝膠網(wǎng)絡(luò)中, 制備多孔硅顆粒, 經(jīng)沖洗后, 獲得DNA 的模板結(jié)構(gòu), 將其引入玻璃芯片微通道, 以人全血為分析對象, 優(yōu)化實驗條件, 有效地將DNA 從全血中萃取到硅表面上, 萃取時間少于15min 。填充式固相萃取吸附劑能提供較大的比表面積, 可獲得較大的吸附容量, 但吸附劑需要保持在微壩或其它特殊結(jié)構(gòu)中, 因此多數(shù)填充過程相對復(fù)雜, 且對微芯片加工技術(shù)也提出了更高的要求。413基于整體柱分離富集整體柱吸附劑是近幾年在微流控體系中發(fā)展起來的一種新型固相萃取吸附劑, 它通過聚合物單體在微通道內(nèi)發(fā)生原位聚合反應(yīng)而制得, 具有結(jié)構(gòu)均勻、可獲得較大比表面

29、積的吸附表面等優(yōu)點(如圖3所示 。另外它還具備優(yōu)異的通透性、高空間利用率、制備過程簡單等優(yōu)點45。原位聚合反應(yīng)制備整體柱避免了在微通道中填充固定相的困難以及高精度的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的需要。圖3芯片上的整體柱固定相結(jié)構(gòu)圖45Fig. 3Schematics of m onolith as s olid phase on the chip :B ,denote reserviors containing bu ffer ; S , sample ; BW , bu ffer waste ; SW ,sample waste45微流控芯片系統(tǒng)中的整體柱吸附劑主要為有機(jī)聚合物整體柱和無機(jī)硅膠整體柱。根據(jù)

30、所用單體類型不同, 有機(jī)聚合物整體柱吸附劑包含了聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯及分子印跡等4類整體柱吸附劑。根據(jù)不同的作用力, 可對不同的目標(biāo)物產(chǎn)生吸附富集效能4648。無機(jī)硅膠整體柱以烷氧基硅烷試劑為反應(yīng)初始物, 通過s ol 2gel 反應(yīng)制備而成。這種整體柱材料具有高速、高效、通透性好等特點, 極其適合蛋白質(zhì)等生物大分子的高效快速分離49。目前報道的整體柱作為微流控芯片系統(tǒng)中的固相萃取吸附劑, 主要有芯片上整體柱和芯片外聯(lián)整體柱兩種存在形式。Y u 等46在特定區(qū)域的微流控芯片通道內(nèi), 采用光引發(fā)原位聚合反應(yīng), 通過改變單體溶液的配比和組成, 分別制備了基于甲基丙烯酸酯類的疏水型和

31、離子交換型聚合物整體柱, 作為固相萃取的吸附劑; 并對香豆精519, 香豆精5192肽化合物、綠色熒光蛋白質(zhì)等分子量不同的化合物進(jìn)行富集, 獲得103以上的富集倍數(shù)。通過改變不同的聚合物條件, 可以獲得滿足不同需要的吸附劑類型。芯片外聯(lián)式整體柱可以通過熱引發(fā)有機(jī)單體原位聚合反應(yīng)來制備6,7; 另外, 對制備過程要求嚴(yán)格091化學(xué)進(jìn)展第19卷第1期 徐 溢等 微流控芯片系統(tǒng)中固液雙相分離富集技術(shù) 191 的無機(jī)硅膠整體柱與芯片的連接也可以考慮外聯(lián)方 式 。在這種外聯(lián)方式下 ,只需選擇合適的接口方式 , 即可實現(xiàn)整體柱與芯片的連接 。該方法具有較好的 靈活性 ,可方便地更換固相吸附劑而不影響芯片其

32、 它單元的操作 。由于有接口的存在 ,易產(chǎn)生死體積 , 降低分析效率 ,因此 ,合理的接口設(shè)計是芯片外聯(lián)式 整體柱實現(xiàn)有效分離富集應(yīng)考慮的重要因素 。 微流控芯片系統(tǒng)的目標(biāo)是對樣品進(jìn)行快速 、 準(zhǔn) 確和高通量分析 。然而 ,現(xiàn)實樣品成分復(fù)雜 ,針對樣 品每一種成分 , 預(yù)處理的要求是有差別的 。由于整 體柱吸附劑具有制備過程簡單 、 聚合過程容易控制 、 可獲得不同性質(zhì)的化學(xué)表面等優(yōu)勢 ,因此 ,在芯片上 集成陣列式整體柱吸附劑 , 在增大樣品吸附容量的 同時 ,還能夠有效分離富集得到目標(biāo)物質(zhì) ,是一種有 48 效可 行 的 方 法 。Tan 等 在 帶 有 8 個 平 行 通 道 ( 10m

33、m 長 ,360 m i1d 的有機(jī)聚合物芯片上 , 在微通 道內(nèi)利用紫外引發(fā)單體溶液發(fā)生原位聚合反應(yīng)制備 整體柱 ,從而獲得了具有分離富集能力的八陣列式 微整體柱芯片 。進(jìn)一步實現(xiàn)了人尿樣品及 P450 藥 物的固相萃取分析 。 圖4 八陣列式微整體柱芯片示意圖 48 維和連續(xù)的復(fù)雜樣品的分離富集目標(biāo) 。但是 , 目前 微型驅(qū)動和微型接口技術(shù)的研究和發(fā)展尚不成熟 , 還有待進(jìn)一步改進(jìn)及完善 , 集成化的在線在場的無 損操作也是實現(xiàn)高效聯(lián)用的目標(biāo) 。性能優(yōu)異的固相 材料能夠高效地從復(fù)雜基體中分離并富集到目標(biāo)分 析物 ,然而現(xiàn)有的固相材料種類有限 ,因此針對樣品 體系開發(fā)新型的固相材料以實現(xiàn)高效

34、樣品分析更具 有廣闊的前景 。另外 , 目前在微流控芯片系統(tǒng)中能 夠?qū)崿F(xiàn)的樣品預(yù)處理量小 ,因此發(fā)展高通量 、 快速的 樣品制備技術(shù)也極具潛力 。 參 考 文 獻(xiàn) 1 Chronis N , Lam W , Lee L. in Proceedings of Micro T otal Analysis System. Netherlands : K luwer Academic Pulishers , 2001. 497 498 2 Furdui V I , Harrison D J . in Proceedings of Micro T otal Analysis System. Nether

35、lands : K luwer Academic Pulishers , 2001. 298 290 3 Wainright A , Willams S J , Ciambrone G, et al . Chromatogr. A , 2002 , 979 : 69 80 4 陳宏 (Chen H , 方群 ( Fang Q , 殷學(xué)鋒 ( Y X F , 方肇倫 in (Fang Z L . 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報 ( Chemical Journal of Chinese Universities , 2004 , 25 : 1428 1431 5 徐溢 ( Xu Y , 張曉鳳 ( Zhang

36、 X F , 海顯來 ( Hai X L , 蘭宇 衛(wèi) (Lan Y W . 化學(xué)通報 (Chemistry Online , 2004 , w04034 徐溢 ( Xu Y , 張曉風(fēng) ( Zhang X F , 張劍 ( Zhang J . 分析化 學(xué) (Chinese Journal of Analytical Chemistry , 2005 , 33 : 447 450 6 7 徐溢 ( Xu Y , 張劍 ( Zhang J , 張曉鳳 ( Zhang X F , 徐平洲 ( Xu P Z . 分析化學(xué) (Chinese Journal of Analytical Chemistr

37、y , 2006 , 34 : 43 46 8 Cady N C , Stelick S , Batt C A. Biosens. Bioeletron , 2003 , 19 : 59 66 Fig. 4 Schematics of microchip of eight channels with 9 陳興 (Chen X , 崔大付 (Cui D F , 劉長春 (Liu C C , 王利 (Wang L . 微納電子技術(shù) (Micronanoelectronic Technology , 2006 , 43 : 43 46 5 總結(jié)與展望 質(zhì)、 操作方式等特點 ,作為微流控芯片系統(tǒng)中一種

38、重 要的樣品預(yù)處理技術(shù)已有研究和應(yīng)用 , 而且也是在 術(shù) 譜 50 46 微流控芯片系統(tǒng)中極有前景的樣品在線預(yù)處理技 。將固液雙相分離富集技術(shù)與電泳 、 膠束電動色譜 53 52 51 化質(zhì)譜 monolith: S , 10ml2plastic syringe ; N , nanoports ; VB , vaccum containing monomer mixture C0 ,inlet outlet connecting capillaries ; UV , UV light ; V , vial 48 distribution box ; H ,vent hole ; C , pol

39、ymer substrate chip ; C i 10 11 Wilding P , Kricka L J . US 05 427 946 , 1995 Wilding P , Pfahler J , Bau H H , et al . J . Clin. Chem. , 1994 , 40 : 43 47 He B , Tan L , Regnier F. Anal . Chem. , 1999 , 71 : 1464 1468 Broyles B S , Jacobson S C , Ramsey J M. Anal . Chem. , 2003 , 75 : 2761 2767 12

40、13 固液雙相分離富集技術(shù)以其靈活多變的處理介 14 Jiang Y, Wang P C , Locascio L E , Lee C S. Anal . Chem. , 2001 , 73 : 2048 2053 15 K ojima K, Hiratsuka A , Suzuki H , et al . Anal . Chem. , 2003 , 75 : 1116 1122 、 電色 16 Foote R S , Khandurina J , Jacobson S C , Ramsey J M. Anal . Chem. , 2005 , 77 : 57 63 等分離技術(shù)以及電噴霧離子

41、17 Xiang F H , Lin Y H , Wen J , et al . Anal . Chem. , 1999 , 71 : 1485 1490 等檢測技術(shù)實現(xiàn)聯(lián)用 , 可以實現(xiàn)雙向 、 多 192 18 化 學(xué) 進(jìn) 展 639 647 36 第 19 卷 Xu N X , Lin Y H , Hofstadler S A , et al . Anal . Chem. , 1998 , 70 : 3553 3556 19 Canazelli S , Fisch I , Freitag R. J . Chromatogr. A , 2002 , 948 : 139 149 37 Jem

42、ere A B , Oleschuk R D , Ouchen F , et al . Electrophoresis , 2002 , 23 : 3537 3544 20 Fuh M R , Tai YL , Pan W H T. J . Chromatogr. B , 2001 , 752 : 107 114 38 21 Khandurina J , Jacobson S C , Waters L C , et al . Anal . Chem. , 1999 , 71 : 1815 1819 39 22 Song S , Singh A K, Shepodd T J , K irby B

43、 J . Anal . Chem. , 2004 , 76 : 2367 2373 40 23 Broyles B C , Jacobson S C , Ramsey J M. in Proceedings of Micro T otal Analysis Systems. Netherlands : K luwer Academic 41 Publishers , 2001. 537 24 Jacobson S C , Hergenroder R , K outny L B , Ramsey J M. Anal . Chem. , 1994 , 66 : 2369 2373 25 Kutte

44、r J P , Jacobson S C , Matsubara N , Ramsey J M. Anal . Chem. , 1998 , 70 : 3291 3297 26 Kutter J P , Jacobson S C , Ramsey J M. J . Microcolumn Sep . , 2000 , 12 : 93 97 27 Dodge A , Fluri K, Verpoorte E , Rooij N F. Anal . Chem. , 2001 , 73 : 3400 3409 28 Lion N , Gellon J O , Jensen H , G irault

45、H H. J . Chromatogr. A , 2003 , 1003 : 11 19 29 Henry A C , Tutt T J , Galloway M , et al . Anal . Chem. , 2000 , 72 : 5331 5337 30 47 46 45 44 43 42 Breadmore M C , Wolfe K A , Arcibal I G, et al . Anal . Chem. , 2003 , 75 : 1880 1886 2002 , 74 : 784 789 73 : 5088 5096 田玉平 ( Tian Y P , 吳會靈 ( Wu H L , 陳淑桂 ( Chen S G , 楊原 ( Yang P Y . 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報 ( Chemical Journal of Chinese Universities , 2004 , 25 : 847 849 48 49 Minakuchi H , Nakanishi K, Soga N. J . Chromatogr. A , 1997 , 762 : 135 146 Peterson