分析化学35A课件.ppt

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大迅速崛起为?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大发展潜力。随后，科学家们迅速 把?TAS大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 group 1995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 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