中國科技大學(xué)7-環(huán)境監(jiān)測新技術(shù)導(dǎo)論()

第七章：微流控分析芯片技術(shù)

微流控分析芯片的提出與發(fā)展主要來自于環(huán)境及材料科學(xué)發(fā)展中對更多、更準(zhǔn)、更快的獲得物質(zhì)成分信息的須要。這種芯片就是接受微細(xì)加工技術(shù)，將微通道、微閥、微泵、微儲液器、微電極、微檢測器、窗口和連接器等功能元件集成在芯片上而構(gòu)成的微型全分析系統(tǒng)（μ-TAS）。μ-TAS的目標(biāo)是把整個化驗(yàn)室的功能包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分別、檢測等集成到微芯片上，因此，有芯片試驗(yàn)室的叫法，最終實(shí)現(xiàn)分析試驗(yàn)室的“個人化”、“家用化”?！?微流控分析芯片的結(jié)構(gòu)與制作一、微流控芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.是一種以微通道為網(wǎng)絡(luò)，將微泵、微閥、微儲液器、微電極、微檢測器連接在一起而組成的集成系統(tǒng)。對加入微通道中的流體進(jìn)行限制與分別測定，以完成多種分析功能，如采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分別檢測等。2.面積約為幾個cm2.3.微管道寬度與深度為μm級。4.所用材料除硅片、石英、玻璃外，還可是

有機(jī)化合物如環(huán)氧樹脂等。加工技術(shù)除微機(jī)電加工外，還有模塑法、熱壓法、激光燒蝕法等。

二、芯片的制作方法

1.光刻和蝕刻

光刻和蝕刻技術(shù)由薄膜沉積、光刻和蝕刻三個工序組成，可表示如下:基片基片基片薄膜光膠層光刻蝕刻薄膜作為犧牲層疼惜基片表面，對于玻璃犧牲層用Cr,而硅片則用SiO2。

2.芯片鉆孔

在通道的端頭打一小孔，以便流體通過小孔進(jìn)入通道網(wǎng)絡(luò)。

3.鍵合：

鍵合方法：熱鍵合、陽極鍵合、粘合、低溫鍵合等。

熱鍵合：硅片與硅片之間的熱鍵合稱為硅熔鍵合。將硅片放在硫酸溶液中清洗干凈，再用鹽酸除去表面的有機(jī)物和金屬污染物。然后將硅片浸泡在約

100℃的氫氧化銨溶液中，使表面通過水化反應(yīng)增加OH基，通過范德華力的作用可使處理后的硅片緊密的貼合在一起。將貼合在一起的硅片放在高溫爐中加熱到800

～1000℃退火，界面上發(fā)生如下反應(yīng)。Si–O–H····H–O–SiSi–O–Si+H2O這樣，兩塊硅片就可堅實(shí)的貼合在一塊了。硅片表面的干凈度是能否成功鍵合的關(guān)鍵。

§2、微流控分析系統(tǒng)中微流體的驅(qū)動與限制一、微流體驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)主要由機(jī)械微泵或非機(jī)械微泵組成，目前在微分析系統(tǒng)中，以往復(fù)式機(jī)械微泵最為常見，結(jié)構(gòu)如下：單向閥單向閥泵腔致動器泵膜液體流入液體流出驅(qū)動系統(tǒng)示意圖致動器的功能：供應(yīng)驅(qū)動液流的動力。泵膜：泵膜可往復(fù)運(yùn)動，是一種可活動的機(jī)械部件。單向閥：保證微泵驅(qū)動液流操作的連續(xù)性和定向性。致動器產(chǎn)生的動力作用于泵膜，使其發(fā)生形變或位移，以驅(qū)動泵膜內(nèi)的液體。致動力的循環(huán)往復(fù)變更引氣泵膜的往復(fù)運(yùn)動，協(xié)作兩單向閥的限流作用，形成單向連續(xù)流淌的液流。對驅(qū)動系統(tǒng)的要求：1.體積應(yīng)盡可能小，易與芯片上其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成化。2.流速:流速范圍大，流速的重現(xiàn)性好，流速的脈動性小。3.泵壓：對不同系統(tǒng)有不同的要求，如在芯片毛細(xì)管電泳分別系統(tǒng)中，泵壓需在3～10MPa之間，流速在50nL/min～50μL/min范圍。二、微流體的進(jìn)樣與混合系統(tǒng)1.進(jìn)樣系統(tǒng)：將一段試樣以塞流形式注射到分別分析通道。進(jìn)樣方法：基于時間和基于體積的進(jìn)樣方法。進(jìn)樣過程：充樣和注樣

基于時間的進(jìn)樣方法

a).“T”形通道進(jìn)樣法：

BSDBDS充樣注樣緩沖溶液試樣分別分析通道BSD以電動注樣的方式向分析通道注入確定體積的試樣，試樣體積由注樣電壓（流速）和注樣時間來確定。優(yōu)點(diǎn)：流路設(shè)計和操作簡潔，注樣體積靈敏可調(diào)，可引入比較大量的試樣，但換樣不便利。（2）門式進(jìn)樣法BWSSBWDDBSDW

充樣注樣換樣這種進(jìn)樣方法是在充樣階段，接受分流的方法分出一部分試樣液流進(jìn)入分別分析通道，通過限制充樣電壓和時間可以限制進(jìn)樣量。門式進(jìn)樣法在注樣-分別分析階段，試樣通道和分析通道內(nèi)液流可同時保持連續(xù)流淌的狀態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是便于換樣和操作?？稍诜謩e分析的同時進(jìn)行換樣操作。

2.

微流體的混合系統(tǒng)：分流型混合器夾層結(jié)構(gòu)（玻璃/硅/玻璃）A、B溶液

玻璃硅片玻璃

AB分流型混合器

該方法的基本原理是：因擴(kuò)散時間與擴(kuò)散距離

的平方成正比，通過將液流分成多個薄層液流，可縮短液流間的擴(kuò)散距離，顯著降低混合時間。理論上，將液流分為n個分支薄層液流，將使混合時間加快n2倍。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：混合器死體積小，內(nèi)部通道僅有600nl,混合效率高，速度快，可在微小體積內(nèi)以毫秒級的時間完成混合（在15ms內(nèi)達(dá)到95%的混合）。兩液流流速和流速比范圍比較廣，分別為1～200μL/min。激光器濾光片1芯片顯微物鏡二向色鏡目鏡光闌濾光片2光電倍增管共聚焦型激光誘導(dǎo)熒光檢測器示意圖§3微流控分析系統(tǒng)的檢測器激光器一、激光誘導(dǎo)熒光檢測器分析儀電化學(xué)電化學(xué)檢測器示意圖高壓電源wwcR二、電化學(xué)監(jiān)測器§4.微流控分析芯片的應(yīng)用技術(shù)與特點(diǎn)一、芯片毛細(xì)管電色譜技術(shù)逶迤形開口電色譜分別芯片結(jié)構(gòu)：WRLPRSWRSRSR--樣品池SWR–樣品廢液池LPR–流淌相池WR–廢液池檢測器面積：8X8mm分別通道長：171mm有效分別通長：165mm接受鍵合、吸附、交換等方法，將固定相結(jié)合在柱內(nèi)壁制備開口管芯片毛細(xì)管電色譜，在pH8的條件下可穩(wěn)定數(shù)周。利用這種毛細(xì)管芯片電色譜技術(shù)在20分鐘內(nèi)分別了C440、C450、C460、C480四種香斗精，效果良好。二、芯片毛細(xì)管電泳技術(shù)：

高壓電源2134LIFDD---檢測器LIF---激光誘導(dǎo)熒光下圖為芯片毛細(xì)管電泳的基本結(jié)構(gòu)。工作時，先在進(jìn)樣通道1，2施加電壓，在電滲流的作用下，試樣從1經(jīng)十字交叉口流向2，然后將電壓切換到3，4。儲存在交叉口處的一段試樣溶液在電滲流的推動下進(jìn)入分別通道進(jìn)行分別。三、芯片的多相層流無膜擴(kuò)散分別：SB在微米級的通道中，低流速的液流完全呈層流狀態(tài)。分別原理：粒子的擴(kuò)散速度不同

H型–過濾芯片分子通過L距離所須要的擴(kuò)散時間為：t3∏NηdpL2RT

T型-過濾芯片T型-過濾芯片BSBBS夾心型–過濾芯片四、芯片中的液-液萃取分別：試樣萃取劑1.萃取原理：基于物質(zhì)在互不相溶的兩相間支配比的不同。在微流控液液萃取系統(tǒng)中，通過兩種互不相溶的溶劑流淌相流量的調(diào)整，可以在微通道中形成超薄的有機(jī)膜，在分別的選擇性、速度、富集倍率等方面較單純的多相層流無膜擴(kuò)散分別有較明顯的優(yōu)勢。2.微流控液液萃取的特點(diǎn)及影響因素：優(yōu)點(diǎn)：a）保持兩相連續(xù)接觸，無需通過機(jī)械震蕩進(jìn)行混合。b）短距離擴(kuò)散縮短了平衡時間。c）具有大的比表面。d）試劑用量少（100nl）e）萃取率高。f）萃取的同時可干脆檢測。g）在同一芯片中可集成萃取、反萃取多個化學(xué)操作單元。

影響因素：流速、比表面大小、擴(kuò)散距離、反應(yīng)速度。五、微流控分析芯片的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.具有極高的效率：很多微流控芯片可在數(shù)秒～數(shù)十秒時間內(nèi)自動完成分別測定或其他困難的操作，分別分析速度常高于相應(yīng)的宏觀分析法1～2個數(shù)量級。這種快速的過程是因?yàn)樵谖⒚准壍耐ǖ乐芯哂泻芨叩膶?dǎo)熱性和很快的傳質(zhì)速率以及結(jié)構(gòu)尺寸的減小。

2.試樣與試劑消耗甚微（數(shù)微升水平）3.易制成功能齊全的便攜式儀器用于各類現(xiàn)場分析監(jiān)測。4.耗材少，有利于普及。局限性：目前狀況而言，體積大，功能不全，制作成本偏高。

§5微流控芯片在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用近年來，微流控分析芯片技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測分析方面已表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，越來越多的用于環(huán)境實(shí)際樣品的分別分析工作。環(huán)境樣品的來源主要是水源、大氣和土壤三個方面，由于大多數(shù)環(huán)境樣品中的待測組分含量極低，且基底特殊困難，干擾組分多，同種元素以多種形式存在，易受環(huán)境影響而變更等特點(diǎn)，所以，在分別測定前都須要對樣品進(jìn)行預(yù)富集處理。1.水樣中污染物的分別測定PetrPraus利用毛細(xì)管等速電泳和毛細(xì)管區(qū)帶電泳完成了飲用水中亞氯酸鹽的檢測．用電導(dǎo)檢測法檢出限達(dá)到了0.012mg／L~0.017mg／L．曾小嵐接受高效毛細(xì)管電泳法對環(huán)境水樣中溶解態(tài)的鈣、鎂、鈉等金屬離子進(jìn)行分別檢測，4.5min內(nèi)鈣、鎂、鈉3種金屬離子完全分別，而且試樣預(yù)處理簡潔，重現(xiàn)性良好，回收率為94.8～105.8．毛細(xì)管幾乎可以分別除揮發(fā)性或難溶物之外的各種分子．

再如以熱透鏡為檢測器測定水樣中的

Co2+、Fe2+、K+等。光度法測定水中的NH3、NH4＋、NO3-等化學(xué)發(fā)光法測定Cr3+,

檢測限可達(dá)10-7mol/L

ˉ-2.氣體污染物的測定：

在芯片上加工一個多種氣體選擇性處理單元（內(nèi)容積640微升左右）、兩個SnO2氣體傳感器檢測單元（內(nèi)容積270微升左右），通過一系列管路和微閥的組合，對微量待測污染氣體進(jìn)行檢測。兩個SnO2氣體傳感器中，一個厚膜，一個薄膜。薄膜傳感器對O3、NO2敏感（400oC）厚膜傳感器對CO、CH4敏感（500oC