微全分析系統(tǒng)課件

1、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，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RSC創(chuàng)刊

2、Lab-on-a-chip（芯片實(shí)驗(yàn)室）。2002年，美國Anal.Chem.將TAS列入每兩年一次的綜述中，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，進(jìn)入千家萬戶。微流

3、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，其未來的發(fā)展將對(duì)上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到非常重要的作用。Microfluidic chipSample preparationMass transportmixingreactionSample injectionseparationdetection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

4、系統(tǒng)來講要求達(dá)到既“微”又“全”，從總體上看，還僅僅是目標(biāo)，離真正實(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。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?；仡櫧?0余年發(fā)展歷史

5、會(huì)看到分析系統(tǒng)的自動(dòng)化微型化趨勢早在1950s和1960s即已出現(xiàn)，其發(fā)展動(dòng)力主要來自于環(huán)境及材料科學(xué)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

6、(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)展不大，分析速度比傳統(tǒng)的手工操作也無顯著提高。后者是因?yàn)橄拗品治鏊俣鹊囊蛩厥腔瘜W(xué)反應(yīng)本身，而非溶液操作過程。Ruzicka和Hansen于1975年提出了FIA。他們?cè)诶^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(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

7、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)測定上百種試樣成為可能，同時(shí)也促進(jìn)了分析系統(tǒng)的微型化。試樣與試劑消耗從10 mL水平降低到10200L水平。分析操作也從簡單的自動(dòng)進(jìn)樣-檢測發(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30年的發(fā)展，F(xiàn)IA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的提出鋪平了道路。Ruzicka和Hansen

8、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)到需要通過多學(xué)科交叉來進(jìn)一步發(fā)展他們的學(xué)術(shù)思想，從而錯(cuò)過了一次重要的發(fā)展機(jī)遇！Manz和Widmer則在發(fā)展TAS方面要顯得更為幸運(yùn)和富有遠(yuǎn)見。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)其未來發(fā)展前景不敢過于樂觀。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

9、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?jié)摿?。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年以后，美國一些著名大學(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Wh

10、itesides group1999年惠普公司研制出第一臺(tái)微流控芯片商品化儀器開始銷售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，主要是在生物遺傳學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的。微流控芯片主要是在分析化學(xué)的學(xué)科領(lǐng)域發(fā)

11、展起來的，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) ChipsSample preparationMass transportmixingreactionSample injectionseparationdetectionMicrofluidic chipsStructure：microchannel netfunctions： all functions of an analytical LabMicrofluidic chipMain functions: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

12、率，可在數(shù)秒至數(shù)十秒時(shí)間內(nèi)自動(dòng)完成分離、測定或其他更復(fù)雜的操作。分離和分析速度常高于相對(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源于微米級(jí)通道中的高導(dǎo)熱和傳質(zhì)速率，也直接來源于結(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

13、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”。主要原因是集成度不夠高，多數(shù)檢測器的體積過大，實(shí)現(xiàn)集成化還有很長的路要走。(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，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、

14、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(傳感器)芯片；細(xì)胞分析芯片；前處理芯片；化學(xué)合成芯片；多功能集成芯片。7.3.6 微型全分析系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與展望(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，過濾，無膜擴(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，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)從單道檢測發(fā)展到

15、多重平行檢測。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)熒光為主要檢測器發(fā)展到多種檢測手段，如光度法，電化學(xué)，質(zhì)譜，原子光譜，化學(xué)發(fā)光等。(6) TAS已開始從單純的毛細(xì)管電泳分離檢測發(fā)展到包括復(fù)雜試樣前處理的高功能全分析系統(tǒng)。(7) TAS已開始從成分分析工具發(fā)展到包括在線檢測的微型化學(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。(10) 微流控理論研究日益受到重視，

16、通道及結(jié)構(gòu)長度的縮小對(duì)傳統(tǒng)流體力學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。通過數(shù)學(xué)模型的建立及計(jì)算機(jī)模擬手段可望大大簡化微流控系統(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)化及市場開發(fā)階段。商業(yè)領(lǐng)域的競爭將日趨激化。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：(

17、1)以微管道為網(wǎng)絡(luò)，將微泵、微閥、微儲(chǔ)液器、微電極、微檢測元件等連接在一起，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。Microfluidic chipsilicon、glass and quartzpolymersmicrolithography chemical etchingm

18、odling proceduremicrocontact printing thermopresssoft lithography (DRIP,SFB,ECR)MaterialsFabrication tech7.4.2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、無定形硅、玻璃、石英、金屬和有機(jī)聚合物，如環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。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

19、)。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 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年開始，G.Whitesides等以自組裝單分子層(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