第七章 自動分析技術微型全分析系統(tǒng)

第七章自動分析技術微型全分析系統(tǒng)第一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.1 導言傳統(tǒng)的化學分析方法是手工分析，至今仍被廣泛應用。手工分析的缺點是手續(xù)繁雜、速度慢，分析結果與分析人員的技術水平和熟練程度有關，還不可避免地使分析人員長時間接觸化學藥品，嚴重影響健康。為了克服這些缺點，幾十年來，人們根據(jù)不同的分析要求，模擬手工分析的程序設計了各種各樣的機械程序分析裝置，用機械操作代替手工操作，給分析工作者減輕了許多負擔，分析速度、準確度、精度也有了一定的提高。但這類程序分析器一般只適于分析一兩種特定組分，通用性差。第二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四1950s，“連續(xù)流動分析”技術發(fā)展起來了。它的基本方法是把各種化學分析所要用的試劑和試樣按一定的順序和比例用管道和泵輸送到一定的反應區(qū)域，進行混合，完成化學反應，最后經(jīng)檢測器檢測并由記錄儀顯示分析結果，實現(xiàn)了管道化的自動連續(xù)分析。但這些分析仍建立在化學平衡的基礎上，速度受到限制。丹麥技術大學的J.Ruzicka和E.H.Hansen于1975年提出了流動注射分析(FlowInjectionAnalysis，F(xiàn)IA)的新概念。把試樣溶液直接以“試樣塞”的形式注入到管道的試劑載流中，不需反應進行完全，就可以進行檢測。擺脫了傳統(tǒng)的必須在穩(wěn)態(tài)條件下操作的觀念，提出化學分析可在非平衡的動態(tài)條件下進行，從而大大提高了分析速度。一般可達每小時進樣100~300次。從樣品注入到檢測器響應的時間間隔一般小于1min。設備較簡單并靈活，操作簡便，啟動和關機時間僅需幾分鐘，因此FIA技術不僅適于大批量的常規(guī)分析，也適于少量非常規(guī)樣品的自動測定。第三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四FIA是一種良好的微量分析技術，一般每次測定僅需25~100L樣品溶液。由于樣品與試劑用量甚微，又在封閉系統(tǒng)中完成測定，因此極大地降低了對人體的毒害和對環(huán)境的污染?，F(xiàn)代分析化學的發(fā)展趨勢是向現(xiàn)場、實時、動態(tài)、高靈敏度、高選擇性、高通量的方向發(fā)展！1990s初期發(fā)展起來的微全分析系統(tǒng)(微流控芯片、生物芯片和芯片實驗室)為實現(xiàn)上述目標提供了可能性。第四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2 流動注射分析7.2.1流動注射分析的基本原理7.2.1.1受控擴散和定時重現(xiàn)流動注射分析常在對流和徑向擴散兩種分散共存的情況下進行。當樣品通過流通池時，檢測器所記錄的是連續(xù)變化的信號，可以是吸光度，電極電勢或其他物理參數(shù)，因而不需要達到化學平衡。第五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四 圖7.1對流和擴散作用(a)無分散；(b)對流引起的分散；(c)對流和徑向擴散引起的分散；(d)徑向擴散引起的分散第六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四例如，以分光光度法測定Cl-，所基于的反應是： 圖7.2流動注射測定Cl-(a)流路設計圖；(b)5-75gmL-1的平行測定；(c)30gmL-1和75

gmL-1樣品的快速掃描。第七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四這些實驗清楚地顯示了FIA的基本特點：在樣品通過分析流路時，以完全相同的方法順序處理所有的樣品。即對一個樣品如何處理，對其他任何樣品也以完全相同的方法進行處理。流動注射體系中準確體積樣品的注入、重現(xiàn)和精確的定時進樣以及從注入點到檢測點體系的完全相同的操作（所謂控制或可控分散），形成注入樣品的濃度梯度，從而產(chǎn)生瞬間的、但可精確重現(xiàn)的記錄信號，使得流路中的任何一點都能像穩(wěn)態(tài)一樣準確測量。一般用峰值作為分析信號，可以獲得較高的靈敏度。第八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2.1.2分散系數(shù)為了合理地設計FIA體系，需要知道原始樣品溶液在它流到檢測器的途中稀釋的程度，以及從樣品注入到讀數(shù)消耗了多長時間。定義分散系數(shù)(dispersioncoefficient,D)為

D＝c0/c(D>0) (7.1)式中c0為注入樣品中分析物的濃度，c為檢測器中分析物的濃度。分散系數(shù)主要受三種相互作用且可以控制的變量的影響，即樣品體積、管的長度和流動速度。第九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四設計FIA體系時，需根據(jù)實驗目的綜合考慮各種因素的影響，以確定最佳流路。例如，建立的FIA系統(tǒng)是用于常規(guī)大批量分析的，那么提高分析速度、增加進樣頻率就是要考慮的主要方面，就應當減少進樣體積，縮短管長，提高流速。分散系數(shù)大致可分為4種情況：有限的（D=1~3）、中度的（D=3~10）、高度的（D>10）以及減小的（D<1）。相應設計的FIA體系已被用于各種各樣的分析任務。當注入的樣品以未被稀釋的形式被運載到檢測器時，采用的是有限分散，也就是將FIA體系用作將樣品嚴格而準確地運載到檢測裝置（如離子選擇電極、原子吸收分光光度計等）的工具。當待測物必須與載液混合并發(fā)生反應，以形成要檢測的產(chǎn)物時采用中度分散。只有當樣品必須被稀釋到測量范圍內時才應用高度分散。減小的分散意味著檢測的樣品濃度高于注入的樣品濃度，即發(fā)生了在線預濃縮（例如通過離子交換柱或經(jīng)過共沉淀等）。

第十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2.2流動注射分析儀的基本組成FIA儀一般由流體驅動單元、進樣閥、反應管道和檢測器組成。7.2.2.1流體驅動單元圖7.3單管路蠕動泵示意圖第十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四在流動注射體系中，最常見的是用蠕動泵驅動溶液。圖7.3表明了蠕動泵的操作原理。蠕動泵一般都有8~10個排列成圓圈的滾軸，通過轉動的滾軸將液體壓進塑料或橡膠管。流速由馬達的轉速和管子的內徑控制。若固定蠕動泵的旋轉速度,流速就由每個管子的內徑?jīng)Q定。商品化的管子具有0.25~4mm的內徑，允許流速最小為0.0005mL/min，最大為40mL/min。蠕動泵可以進行幾個管子的同時操作，特別適于應用多種試劑但又不能預先混合的情況。FIA也可以用活塞泵，但價格較貴，且只允許單流路傳送，對于多路管線，則需幾個單獨的泵。

第十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2.2.2進樣閥進樣閥(valveforinjection)又稱采樣閥、注入閥或注射閥。用得最多、且效果最令人滿意的是類似于高效液相色譜（HPLC）中所用的旋轉式六通閥。注入樣品的體積可以為5~200L，典型的是10~30L，用具有適當長度和內徑的外部環(huán)管計量。這種“塞式”注入的進樣方式對載流流動干擾很小，取樣和注入過程均可精確重復。第十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2.2.3反應管道在FIA管線中所用的導管多數(shù)是由細孔徑的聚乙烯管和聚四氟乙烯管組成，典型的內徑為0.5~0.8mm。反應管道(reactionpipeline)通常是盤繞著的，可以增強徑向擴散、減小軸向擴散，減弱試樣塞增寬的程度而導致更對稱的峰，獲得較高的靈敏度，而且可以提高進樣頻率。如果在反應管道內填充直徑為管道內徑60%的玻璃球，則稱為單珠串反應器，用這種管道可以得到十分對稱的峰形，而分散程度比同規(guī)格內徑的敞口直管反應器的分散度小10倍。為了連接管道，并使液流按需要分支或集合，經(jīng)常使用被稱為“化學塊”或“功能組合塊”的裝置。在“化學塊”的管道連接處可以產(chǎn)生“徑向效應”，使試樣與試劑有效地混合，因而提高進樣頻率和分析靈敏度。

第十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2.2.4檢測器FIA實際上可以與任何類型的檢測器(probeunit)相匹配,這也是FIA取得很大成功的原因之一。例如AAS、AES、分光光度計、熒光光度計、電化學系統(tǒng)、折射儀等。帶流通式液槽的分光光度計檢測器是FIA中用得最多的。流通池和一般吸收池的區(qū)別在于：流通池是動態(tài)測定，吸收池是靜態(tài)測定。除了為獲得一定的靈敏度而要求有足夠的光程外，還要求流通池體積盡可能小，以便減少載流量、試劑量、試樣量，并提高分析速度。在液體流通的區(qū)域內要避免死角，以避免試樣殘余液滯留于死角區(qū)影響重現(xiàn)性，或截留氣泡而干擾測定。下圖為兩種常用的玻璃或石英流通池。然而，用泵輸送載流通過分光光度計的做法遠不如把光束從分光光度計引入流動注射分析系統(tǒng)，然后再返回光度計更為合理。因而在最近的設計中，廣泛地使用了光導纖維。這樣，可以將流通池和微管道結合在一起，進行吸光度測定或熒光檢測。

第十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四圖7.4發(fā)光光度法中的流通池(a)固定在多數(shù)商品光度計上的Hellma池；(b)Z型池，其中A為透明窗，并為聚四氟乙烯池體，C為池套，CH為入口通道。圖7.5離子選擇性電極流通池(a)射流壁式結構流通池；(b)梯流式結構流通池第十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2.3FIA技術與應用7.2.3.1用于重復的和精確的樣品傳送（有限分散的應用）由于FIA固有的嚴格定時性，可以用此項技術將給定的樣品精確而重復地傳遞到檢測器，從而保證每一個測量循環(huán)過程中所有的條件嚴格保持一致。例如，當火焰原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜或電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜與FIA結合時，樣品的等分試樣被直接吸入火焰或等離子體,這些分析儀器的性能就會獲得改善，且在某些情況下被大大加強。與傳統(tǒng)的樣品溶液吸入法相比，可以提高進樣頻率，進樣速率可達300樣/h。更重要的是，在一般吸入一個樣品的時間內可以分別注入兩份樣品，這意味著FIA法不僅能提高精度，也能改善準確度。另一個優(yōu)點是樣品與檢測器接觸的時間非常短，其余的時間可以用載液清洗檢測器。這意味著有高的清洗-進樣比，因此可以大大地減少或消除由高濃度鹽造成的燃燒器堵塞的機會。第十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.2.3.2FIA轉換技術（中度分散的應用）FIA轉換技術(conversiontechniques)可以被定義為：借助適當?shù)臉悠奉A處理、試劑生成或基體改性，通過動力學控制的化學反應使不能被檢測的物質轉化成可被檢測的成分的過程。在這類FIA體系中，分散應當足夠快，以使樣品和試劑部分混合，發(fā)生反應，但又不過度分散，以免不必要的稀釋待測物，使檢測靈敏度降低。多數(shù)FIA步驟是基于中度分散，因為待測物必須經(jīng)歷某種形式的智能“轉化”。

第十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四說明此方法應用的例子是在臨床化學中有意義的硫氰酸鹽的測定。除了吸煙者外，存在于人體的硫氰酸鹽濃度是極低的。硫氰酸鹽在人體中的半衰期大約是14天，因此通過體液（唾液、血液和尿液）分析就很容易區(qū)別吸煙者和非吸煙者。一個測定硫氰酸鹽的快速而簡便的FIA方法是基于以下的反應：產(chǎn)物生成迅速，摩爾吸光系數(shù)很高，但隨后就褪色，壽命約10s。因此在生色最大的那一刻讀數(shù)很重要。所用的FIA系統(tǒng)示于圖7.6。樣品（50L唾液）被注入到水載流中，隨后與試劑5-Br-PADAP[2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚]合并，再和氧化劑重鉻酸鉀合并，最終的混合體系中酸的濃度約為2mol/L。由于FIA可重現(xiàn)的定時性，故可定量檢測亞穩(wěn)態(tài)的有色產(chǎn)物。

第十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四圖7.6用于測定亞穩(wěn)態(tài)反應產(chǎn)物的FIA流程圖第二十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四圖7.7用圖7.6所示的FIA系統(tǒng)獲得到硫氰酸鹽信號第二十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四在FIA系統(tǒng)中可以通過多相轉換技術提高分析測定的選擇性。例如把氣體擴散、滲析、溶劑萃取、離子交換或固定化酶等操作與管線步驟結合，以便將樣品成分轉變成可檢測的物質。從1975年第一篇FIA論文發(fā)表以來，流動注射分析這一新穎而獨特的分析方法在環(huán)境監(jiān)測、地質冶金、臨床醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等諸領域得到了廣泛的應用。它的精確控制幾乎適于任何分析領域，它的靈活設計組裝使其功能可以無止境地發(fā)展。

第二十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.3 微型全分析系統(tǒng)7.3.1導言科學儀器在人類的整個科技發(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。當前，主要為了適應生命科學發(fā)展的需要，分析儀器的發(fā)展正在出現(xiàn)一個以微型化為主要特征的，帶有革命性的重要轉折時期。自從Manz和Widmer于1990首次提出微型全分析系統(tǒng)(TAS,miniaturizedtotalanalysissystem或micrototalanalysissystem)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)展為當今世界上最前沿的科技領域之一。2001年，英國RSC創(chuàng)刊Lab-on-a-chip（芯片實驗室）。2002年，美國Anal.Chem.將TAS列入每兩年一次的綜述中，標志著它作為分析化學的一個獨立領域，已被學術界承認。并將微流控芯片系統(tǒng)作為其主要發(fā)展方向。第二十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四TAS的目的是通過化學分析設備的微型化與集成化，最大限度地把分析實驗室的功能轉移到便攜的分析設備中，甚至集成到方方寸大小的芯片上。由于這種特征，本領域的一個更為通俗的名稱“芯片實驗室”(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上，TAS的最終目標是實現(xiàn)分析實驗室的“個人化”，“家用化”，從而使分析科學及分析儀器從化學實驗室解放出來，進入千家萬戶。微流控芯片(microfluidicchips)是TAS中目前最活躍的領域和發(fā)展前沿，它最集中地體現(xiàn)了將分析實驗室的功能轉移到芯片上的思想，其未來的發(fā)展將對上述目標的實現(xiàn)起到非常重要的作用。第二十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四MicrofluidicchipSamplepreparationMasstransportmixingreactionSampleinjectionseparationdetection第二十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四第二十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四第二十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四第二十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四第二十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四作為分析化學的前沿技術，TAS的迅速發(fā)展不僅是該領域科學工作者不懈努力的結果，而且得益于微機電加工(MEMS)、生物化學、材料學、微光學機械等多門學科最新成果的投入。然而，TAS的實際應用目前尚處于初級階段，對分析系統(tǒng)來講要求達到既“微”又“全”，從總體上看，還僅僅是目標，離真正實現(xiàn)還有相當大的距離。這些目標的實現(xiàn)必須靠大力發(fā)展微流控技術；生物(陣列)芯片雖然是很重要的生物檢測手段，但難以在實際分析系統(tǒng)的“微、全”方面發(fā)揮優(yōu)勢。一個新學科的發(fā)展既需要強大先進的技術支撐，更需要先進的理論指導，TAS在發(fā)展中還需要更多的基礎理論來更深入地理解和掌握物質在微米尺度流動狀態(tài)下的行為，例如微米通道中的傳質、導熱、吸附及微區(qū)反應規(guī)律等。這些都對相關的理論研究提出了新的挑戰(zhàn)！第三十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.3.2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)展歷史會看到分析系統(tǒng)的自動化微型化趨勢早在1950s和1960s即已出現(xiàn)，其發(fā)展動力主要來自于環(huán)境及材料科學的發(fā)展中對更多更準更快地獲取物質成分信息的需要。Skeggs創(chuàng)始的間隔式連續(xù)流動分析(segmentedcontinuousflowanalysis,SCFA)是這一時期發(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，把分析化學轉移到有流體連續(xù)流動的管道中，數(shù)毫米內徑數(shù)米長的玻璃或聚合物管道不僅是化學反應的新容器，而且也成為分析操作實現(xiàn)連續(xù)化自動化的“傳送帶”。液體連續(xù)驅動手段－蠕動泵！第三十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四圖7.8SCFA系統(tǒng)示意圖(a)和FIA系統(tǒng)示意圖(b)S試樣；A空氣；R試劑；CR載液第三十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四SCFA雖然在溶液分析自動化方面取得了成功，在分析操作所需面積的減少方面也有所貢獻，但在設備和試樣、試劑消耗及微型化方面卻進展不大，分析速度比傳統(tǒng)的手工操作也無顯著提高。后者是因為限制分析速度的因素是化學反應本身，而非溶液操作過程。Ruzicka和Hansen于1975年提出了FIA。他們在繼承連續(xù)流動觀念的同時，徹底拋棄了SCFA中要求在流動中必須實現(xiàn)物理平衡(完全混合)與化學平衡(反應完全)的觀念，去除了管道中同時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)條件下實現(xiàn)重現(xiàn)性定量分析的技術條件。他們利用了細管道(<1mm內徑)中液體層流狀態(tài)的可控性與重現(xiàn)性，加上準確的時間(即流速)控制，實現(xiàn)了重現(xiàn)、但非完全的混合狀態(tài)，并在此基礎上來實現(xiàn)重現(xiàn)、而未必完全的化學反應。第三十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四這一觀念的提出大大地提高了分析速度，使每小時測定上百種試樣成為可能，同時也促進了分析系統(tǒng)的微型化。試樣與試劑消耗從<10mL水平降低到10－200L水平。分析操作也從簡單的自動進樣-檢測發(fā)展到包括溶劑萃取、柱分離、沉淀、共沉淀、氣-液分離、滲吸等在內的試樣多種前處理自動化。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領域，不僅促進了分析化學自動化和微型化的發(fā)展，同時也為TAS的提出鋪平了道路。Ruzicka和Hansen早在1984年就提出了集成化微管道系統(tǒng)(Integratedmicroconduitsystems,IMCS)的概念，并取得了一定的成功。但由于當時科學技術整體水平的局限性，至少他們當時并未清楚地意識到需要通過多學科交叉來進一步發(fā)展他們的學術思想，從而錯過了一次重要的發(fā)展機遇！第三十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四Manz和Widmer則在發(fā)展TAS方面要顯得更為幸運和富有遠見。他們最初的嘗試是首先把FIA轉移到微加工芯片上。所構建的流動注射光度測定TAS裝置為多層芯片結構，主要是采用了單晶硅材料加工。裝置的復雜性使人們對其未來發(fā)展前景不敢過于樂觀。然而當時分析化學另一學科大迅速崛起為TAS提供了一個重要的發(fā)展機遇－毛細管電泳分離！一方面，毛細管電泳為TAS提供了方便靈活的，在微尺度下電滲驅動手段；另一方面，在芯片上加工的毛細管電泳-TAS又顯示出比傳統(tǒng)毛細管電泳更優(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管分離的論文，展示了TAS大發(fā)展?jié)摿?。隨后，科學家們迅速把TAS大發(fā)展重點定位在基于MEMS技術的平板玻璃或石英芯片上的電滲驅動的毛細管電泳分離微流控系統(tǒng)。第三十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四1994年以后，美國一些著名大學研究組的介入使該領域的發(fā)展迅速出現(xiàn)高潮。1994年Ramseygroup1995年Mathiesgroup1995年CaliperTechnologies公司1995年Whitesidesgroup1999年惠普公司研制出第一臺微流控芯片商品化儀器開始銷售2001年Lab-on-a-chip學術季刊創(chuàng)建第三十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.3.3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。在芯片式TAS中，依據(jù)芯片結構及工作機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，目前又都主要服務于生命科學，但前者以微通道網(wǎng)絡為結構特征，后者以微探針陣列為結構特征。微陣列芯片目前的主要應用對象是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領域發(fā)展起來的。微流控芯片主要是在分析化學的學科領域發(fā)展起來的，第三十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四表7.1第三十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四圖7.9(a)典型的微流控芯片(b)典型的微陣列(生物)芯片第三十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四Microarray(Bio)Chips第四十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四SamplepreparationMasstransportmixingreactionSampleinjectionseparationdetectionMicrofluidicchipsStructure：microchannelnetfunctions：allfunctionsofananalyticalLabMicrofluidicchipMainfunctions:第四十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.3.4流控分析芯片特點微流控芯片的優(yōu)點(1)微流控芯片具有極高的效率，可在數(shù)秒至數(shù)十秒時間內自動完成分離、測定或其他更復雜的操作。分離和分析速度常高于相對應當宏觀分析方法一至二個數(shù)量級。其高分析或處理速度即來源于微米級通道中的高導熱和傳質速率，也直接來源于結構尺寸的縮小。(2)微流控分析的試樣與試劑消耗已降低到數(shù)微升水平，并隨著技術的提高，還可能進一步減少。降低了分析費用戶貴重生物試樣的消耗，也減少了環(huán)境的污染。(3)用微加工技術制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多個部件與功能可能集成在數(shù)平方厘米的芯片上，在此基礎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。當實現(xiàn)批量生產(chǎn)后，芯片成本可望大幅度降低，有利于普及。第四十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四微流控芯片的局限性(1)作為TAS的主要發(fā)展前沿，當前的微流控芯片系統(tǒng)總體上既不夠“微”，分析功能也遠達不到“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成果推廣應用的要求。一塊供研究用的標準玻璃芯片價值100多美元。一塊供分析12個試樣的一次性專用芯片價值10美元。(3)目前報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，為了解決實際試樣的分析，這方面的研究需要在應用領域的實用過程中大大加強。第四十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.3.5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、硅-石英、玻璃-高聚物等復合材料芯片。根據(jù)功能不同可分為：高分辨分離芯片；微采樣(進樣)芯片；微檢測(傳感器)芯片；細胞分析芯片；前處理芯片；化學合成芯片；多功能集成芯片。第四十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.3.6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當前的發(fā)展前沿。例如，近期TAS的會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)從以毛細管電泳分離為核心分析技術發(fā)展到液-液萃取，過濾，無膜擴散等多種分離手段。(3)TAS從以電滲流為主要驅動手段發(fā)展到包括流體動力，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)展到多重平行檢測。陣列通道數(shù)在2003年最多已達384道。(5)TAS已從以激光誘導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，質譜，原子光譜，化學發(fā)光等。(6)TAS已開始從單純的毛細管電泳分離檢測發(fā)展到包括復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反應與合成手段，在新藥篩選中顯示出強大的生命力。第四十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四(8)微流控芯片已開始從進行一般成分分析發(fā)展為單分子單細胞分析。(9)微流控芯片已開始從主要為玻璃基質發(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，通道及結構長度的縮小對傳統(tǒng)流體力學提出了新的挑戰(zhàn)。通過數(shù)學模型的建立及計算機模擬手段可望大大簡化微流控系統(tǒng)的設計。(11)微流控系統(tǒng)在細胞分類、分析，甚至微生物的培養(yǎng)中，都正在顯示出其獨特的優(yōu)越性，而吸引了眾多研究力量的投入。(12)TAS已開始從基礎與應用基礎研究階段進入產(chǎn)業(yè)化及市場開發(fā)階段。商業(yè)領域的競爭將日趨激化。10年？20年？第四十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.4 微流控分析芯片加工技術7.4.1 微流控分析芯片的結構和加工特點微流控分析芯片是通過微細加工技術將微管道、微泵、微閥、微儲液器、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)。其結構和加工特點如下：(1)以微管道為網(wǎng)絡，將微泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測元件等連接在一起，對加入微通道中的流體進行控制與分離測定，以完成多種分析功能，如采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等。(2)微流控分析芯片的面積為幾個平方厘米。(3)微管道寬度和深度為微米級。(4)芯片材料已從硅片發(fā)展到玻璃，石英，有機聚合物等，因此也發(fā)展了有機聚合物材料的加工技術。在傳統(tǒng)的光刻和蝕刻的基礎上發(fā)展了模塑法，熱壓法，激光燒蝕法，LIGA技術和軟光刻等新方法。第四十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四Microfluidicchipsilicon、glassandquartz

polymers

microlithography chemicaletching modlingprocedure microcontactprintingthermopress softlithography(DRIP,SFB,ECR)MaterialsFabricationtech第四十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.4.2 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單晶硅、無定形硅、玻璃、石英、金屬和有機聚合物，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 光刻和蝕刻技術微細加工技術是微流控分析系統(tǒng)發(fā)展的前提條件。微流控分析芯片上微通道的制作，起源于制作半導體及集成芯片所廣泛使用的光刻(lithography)和蝕刻技術(etching)。它是用光膠、掩模和紫外光進行微制造，工藝成熟，已廣泛地用于硅，玻璃和石英基片上制作微結構。第四十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四圖7.10 光刻和蝕刻的基本工序第五十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期四7.4.4 高分子聚合物微流控芯片的加工技術高分子聚合物基片上制作微通道的技術有模塑法，熱壓法，LIGA技術，激光燒蝕法和軟光刻等。軟光刻是相對于微制造領域中占主導地位的光刻而言的微圖形轉移和微制造的新方法。因光刻不但需要昂貴的設備和超凈實驗室，也不能在曲面上加工微結構。從1995年開始，G.Whitesides等以自組裝單分子層(self-ass