微全分析系统

7.3 微型全分析系统7.3.1 导言科学仪器在人类的整个科技发展过程中都起到极其重要的作用，这在近代科技发展中反映得尤其突出。分析仪器的发展趋势就是微型化 /集成化与便携化。当前，主要为了适应生命科学发展的需要，分析仪器的发展正在出现一个以微型化为主要特征的，带有革命性的重要转折时期。自从 Manz和 Widmer 于 1990首次提出微型全分析系统 (TAS,miniaturized total analysis system或 micro total analysis system)的概念以来，经历了发展初期的冷落和彷徨，在短短的十几年中已发展为当今世界上最前沿的科技领域之一。2001年，英国 RSC创刊 Lab-on-a-chip（ 芯片实验室 ）。2002年，美国 Anal.Chem.将 TAS列入每两年一次的综述中，标志着它作为分析化学的一个独立领域，已被学术界承认。并将微流控芯片系统作为其主要发展方向。TAS的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方方寸大小的芯片上。由于这种特征，本领域的一个更为通俗的名称 “芯片实验室 ”(Lab-on-a-chip, LOC)已经被日益地接受。在分析系统微型化与集成化的基础上， TAS的最终目标是实现分析实验室的 “个人化 ”， “家用化 ”，从而使分析科学及分析仪器从化学实验室解放出来，进入千家万户。微流控芯片 (microfluidic chips)是 TAS中目前最活跃的领域和发展前沿，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的 思想，其未来的发展将对上述目标的实现起到非常重要的作用。Microfluidic chip1. Sample preparation2. Mass transport3. mixing4. reaction5. Sample injection6. separation7. detection作为分析化学的前沿技术， TAS的迅速发展不仅是该领域科学工作者不懈努力的结果，而且得益于微机电加工 (MEMS)、 生物化学、材料学、微光学机械等多门学科最新成果的投入。然而， TAS的实际应用目前尚处于初级阶段，对分析系统来讲要求达到既 “微 ”又 “全 ”，从总体上看，还仅仅是目标，离真正实现还有相当大的距离。这些目标的实现必须靠大力发展微流控技术；生物 (阵列 )芯片虽然是很重要的生物检测手段，但难以在实际分析系统的 “微、全 ”方面发挥优势。一个新学科的发展既需要强大先进的技术支撑，更需要先进的理论指导， TAS在发展中还需要更多的基础理论来更深入地理解和掌握物质在微米尺度流动状态下的行为，例如微米通道中的传质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相关的理论研究提出了新的挑战！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 200L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 group1995年 Mathies group1995年 Caliper Technologies 公司1995年 Whitesides group1999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(b)典型的微阵列 (生物 )芯片Microarray (Bio) Chips1. Sample preparation2. Mass transport3. mixing4. reaction5. Sample injection6. separation7. detectionMicrofluidic chipsStructure： microchannel netfunctions： all functions of an analytical LabMicrofluidic chipMain functions:7.3.4 流控分析芯片特点微流控芯片的优点(1)微流控芯片具有极高的效率，可在数秒至数十秒时间内自动完成分离、测定或其他更复杂的操作。分离和分析速度常高于相对应当宏观分析方法一至二个数量级。其高分析或处理速度即来源于微米级通道中的高导热和传质速率，也直接来源于结构尺寸的缩小。(2)微流控分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并随着技术的提高，还可能进一步减少。降低了分析费用户贵重生物试样的消耗，也减少了环境的污染。(3)用微加工技术制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多个部件与功能可能集成在数平方厘米的芯片上，在此基础上易制备功能齐全的便携式仪器，用于各类现场分析。(4)微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。当实现批量生产后，芯片成本可望大幅度降低，有利于普及。微流控芯片的局限性(1)作为 TAS的主要发展前沿，当前的微流控芯片系统总体上既不够 “微 ”，分析功能也远达不到 “全 ”。主要原因是集成度不够高，多数检测器的体积过大，实现集成化还有很长的路要走。(2)在目前加工条件下微流控分析制作成本还难以满足有关成果推广应用的要求。一块供研究用的标准玻璃芯片价值 100多美元。一块供分析 12个试样的一次性专用芯片价值 10美元。(3)目前报道的大部分微流控芯片分析系统不包括试样的前处理功能，即功能不够全，为了解决实际试样的分析，这方面的研究需要在应用领域的实用过程中大大加强。7.3.5 微流控芯片的分类根据芯片材料的不同可分为：硅芯片玻璃芯片石英芯片高聚物芯片硅 -玻璃、硅 -石英、玻璃 -高聚物等复合材料芯片。根据功能不同可分为：高分辨分离芯片；微采样 (进样 )芯片；微检测 (传感器 )芯片；细胞分析芯片；前处理芯片；化学合成芯片；多功能集成芯片。7.3.6 微型全分析系统的发展趋势与展望(1)继微阵列 (生物 )芯片后，微流控分析芯片已成为 TAS当前的发展前沿。例如，近期 TAS的会议论文中微流控分析芯片占 87% ，微阵列芯片占 4% 。(2) TAS与微流控芯片已经从以毛细管电泳分离为核心分析技术发展到液 -液萃取，过滤，无膜扩散等多种分离手段。(3) TAS从以电渗流为主要驱动手段发展到包括流体动力，气压重力，离心力，剪切力等多种分离手段。(4)微流控分析系统从单道检测发展到多重平行检测。阵列通道数在 2003年最多已达 384道。(5) TAS已从以激光诱导荧光为主要检测器发展到多种检测手段，如光度法，电化学，质谱，原子光谱，化学发光等。(6) TAS已开始从单纯的毛细管电泳分离检测发展到包括复杂试样前处理的高功能全分析系统。(7) TAS已开始从成分分析工具发展到包括在线检测的微型化学反应与合成手段，在新药筛选中显示出强大的生命力。(8)微流控芯片已开始从进行一般成分分析发展为单分子单细胞分析。(9) 微流控芯片已开始从主要为玻璃基质发展玻璃与高分子聚合物材料并重，尤其在芯片的产业化方面，后者因易于实现批量生产而将更具备优势。(10) 微流控理论研究日益受到重视，通道及结构长度的缩小对传统流体力学提出了新的挑战。通过数学模型的建立及计算机模拟手段可望大大简化微流控系统的设计。(11)微流控系统在细胞分类、分析，甚至微生物的培养中，都正在显示出其独特的优越性，而吸引了众多研究力量的投入。(12) TAS已开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开发阶段。商业领域的竞争将日趋激化。10年？ 20年？7.4 微流控分析芯片加工技术7.4.1 微流控分析芯片的结构和加工特点微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件，窗口和连接器等功能元件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料 (基片 )上的微全分析系统。其结构和加工特点如下：(1)以微管道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等连接在一起，对加入微通道中的流体进行控制与分离测定，以完成多种分析功能，如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等。(2)微流控分析芯片的面积为几个平方厘米。(3)微管道宽度和深度为微米级。(4)芯片材料已从硅片发展到玻璃，石英，有机聚合物等，因此也发展了有机聚合物材料的加工技术。在传统的光刻和蚀刻的基础上发展了模塑法，热压法，激光烧蚀法， LIGA技术和软光刻等新方法。Microfluidic chipsilicon、 glass and quartzpolymersmicrolithography chemical etchingmodling 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单晶硅、无定形硅、玻璃、石英、金属和有机聚合物，如环氧树