（分析化学专业论文）微流控芯片原子荧光分析系统的研究.pdf

浙江大学化学系硕士生学位论文 摘要 微型全分析系统( m i r c ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，“t a s ) 自兴起以来，发展十 分迅速，广泛用于生物分析、化学分析和药物分析等领域。微流控芯片 ( m i c r o f l u i d i cc h i p ) 是微型全分析系统的一种核心技术。用微流控芯片来进行各 种化学分析检测具有体积小、消耗样品量少、分析速度快等优点，已经成功地与 多种分析方法相结合。原子荧光光谱分析以其高灵敏度、低检测限等特点广泛地 应用于环境、食品、石油化工中的重金属检测。本工作将微流控芯片与原子荧光 光谱分析结合在一。起，研制了一种基于微流控芯片的原子荧光光谱分析系统，并 用于汞的检测。该系统具有样品和试剂消耗量少、体积小、分析成本低等优点。 第一章对原子荧光光谱分析法的进展及其在汞测定中的应用进行了综述。介 绍了原子荧光光谱分析法的原理、特点、发展历史以及冷蒸气发生原子荧光光谱 分析在汞测定方面的应用。 第二二章对气液分离的技术进行了综述。介绍了常规气液分离和微流控：芯片气 液分离的原理以及应用。 第三章介绍了本论文的研究工作，建立了一一个微流控芯片原子荧光分析系 统，并应用于汞的检测。研究并优化了仪器的各个部件包括光路部分、气液分离 芯片部分和检测部分。进行不同进样时问、进样速度和还原试剂浓度等条件的考 察，选择出了最佳实验条件。最终优化后的检测结果：系统的重现性r s d = 6 6 ( n = 5 ) ，线性范围0 0 5 1m g 几，线性方程y = 9 4 6 6 2 x + 2 5 7 0 2 ，r 2 = o 9 8 8 8 检测限为1 l 虮。 关键词：微流控芯片；原子荧光光谱分析；气液分离；汞 浙江大学化学系硕士生学位论文 a b s t r a c t t h ea r e ao fm i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ( 灯a s ) i sar a p i d l yd e v e l o p i n gf i e l df o r b i o c h e m i s t r ya n a l y s i s ，c h e m i s t r ya 1 1 a l y s i sa 1 1 dp h a r m a c e u t i c a la n a l y s i s m i c m f l u i d i c c h i pi so n eo ft h em a i np a r t so f 斗t a s m i c r o n u i d i cc h i pb a s e da i l a l y s i sh a sm e r i t so f l i t t l ev o l u r n e ，l o wc o n s 砌p t i o na i l dh i 曲a i l a l y s i st h i 。o u g h p u t i th a sb e e nc o m b i n e d w i t hm a n ya n a l y s i st e c h n i q u e s ，s u c ha sc a 伽l l a r ye l e c 蜘p h o r e s i s a t o m i cn u o r e s c e n c e s p e c t r o m e t r y ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so f h i 曲s e n s i t i v i t ya n dl o wd e t e c t i o nl i m i t s ， h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt l l em e a s u r e m e n t so fh e a v ym e t a li ne n v i r o l l i n e n t ，f o o d a l l dp e t r o c h e m i c a l s i n 恤i sw o r k ，an o v e lm i c r o n u i d i cc h i ps y s t e mc o u p l e dw i t h a t o m i cn u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r i c s y s t e m w a s d e v e l o p e d a n d 印p l i e d i n d e t e m l i n a t i o no fm e r c u r y t h i ss y s t e mh a st h em e r i t so fl i t t l es a m p l ea n dr e a g e n t c o n s u m p t i o na n d 1 0 wc o s t 1 nt h ef i r s tc h a p t e r ， w ei n t r o d u c e dt l l e p r i n c i p l e o f a t o m i cf l u o r e s c e n c e s p e c t r o m e t r y a n di t sa p p l i c a t i o n t h ep r i n c i p l eo fc o l dv 印o rg e n e r a t i o n a t o m i c n u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r yw a sa l s od e s c r i b e d i nt h es e c o n dc h a p t e r ，v a r i o u sr o u t i n ea n dm i n i a n l r i z e dg a s l i q u i ds e p a r a t i o n t e c h n i q u e sw e r er e v i e w e d i nt h em i r dc h a p t e r ，an o v e ln l i c m n u i d i cc 1 1 i ps y s t e mc o m b i n e dw i ma t o m i c n u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r ys y s t e mw a sd e v e l o p e da n da p p l i e di nm e a s u r e m e n to f m e r c u r y t h em e r c u r ys 锄p l ea i l dr e a g e n td e l i v e r e db yas y r i n g ep 啪pw e r em i x e d a n dr e a c t e di nt h em i c r o c h 咖e l ，m e r c u r yv 印o rg e n e r a t e di nt 1 1 er e a c t i o nw a s s e p a r a t e di nt h eg a s l i q u i ds e p a r a t i o nd e v i c ei nt h ec h i pb a s e do nc a p i l l a r ye f r e c t t h e m e r c u r yv a p o rw a sd e t e c t e db yal a b m a d ea t o m i cn u o r e s c e n c es p e c t r o m e m cd e t e c t o r t h eo p e m t i o nc o n d i t i o n so fm ep r e s e n ts y s t e mw e r eo p t i m i z e d ，i n c l u d i n gn o w r a t e ， r e a c t i o nt i i n ea n dr e a g e mc o n c e n t r a t i o n t h ep e r f o n n a n c eo ft 1 1 ep r e s e n ts y s t e mw a s d e m o n s t r a t e d 协t h em e a s u r e m e n to f m e r c u r yw i t l lal i n e a rr 锄g eo f o 0 5 1m g l t h e r e g r c s s i o ne q u a t i o ni sy = 9 4 6 6 2 x + 2 5 7 0 2 ，r 2 = 0 9 8 8 8 t h er e p e a t a b i 】i t yf o rlm g l h gs o l u t i o nw a s6 6 ( r s d ，n = 5 ) t h ed e t e c t i o nl i m i tf o rm e r c u r yw a s1 1p g l 浙江大学化学系硕士生学位论文 k e y w o r d s ：m i c r o n u i d i cc h i p ；a t o m i cn u o r e s c e n c es p e c t r d m e t r y ；g a s l i q u i d s e p a r a t i o n ；m e r c u r y 浙江大学化学系硕士牛学位论文 第一章原子荧光光谱分析技术概述 验系统，开始了h g a f s 的研菹托黝；笨表h 加串赢制矧耵彭鼠东和引赢并型： 点珍蠹型露k b i - h 霉菱蓟扩目灿奎黔夏碱威 也使得气；西f 好由 毫匐砖：定9 口_ 爽若；郁 i 丌鞫鹭飘些引葡秉新f 葡耐甜硪配荆争豢影壶烈鞴烈拦蒯甄；簪渤裂 耗聪邕凶甜韵黢坛壅籁越。鞭i 翌“驱塑酗簦驰鞭燮； 。矗艘霎型簌匿比较多的领域是在氢化物发生原 子光谱分析系统中。气液分离器通常是此类原子光谱分析系统中的一个重要组成 部件，其作用是将反应后的原子蒸气从反应溶液中分离出来，它的分离效果的好 坏直接影响到检测结果。 当前，应用在原子光谱分析系统中的常规气液分离器大多采用气体膨胀式气 液分离器【1 0 】。 如图2 1所示为几种常规的气体膨胀式气液分离器的结构图。 o ，。奎 f 图2 ，l 气体膨胀式气液分离器a ，小体积u 形管分离器b ，w 形分离器c ，可拆分式分离 器d ，加膜的可拆式分离器g l ，气液混和物； d ，通检测器w ，通废液b ，玻璃珠 m ，多孔p t f e 膜o ，o 形环 ptfe膜o，o形环x 浙江人学化学系硕士生学位论文第一章原，荧光光谱分析技术概述 e ， 一 e ， e 。 f a ， e e j e ! e 。 e 。， ( b )( c )d )e ) 图1 1 原子荧光类型 f 1 2 2 原子荧光光谱分析与定量关系 在研究原子荧光强度和被测物质浓度时，假设存在一个均匀而稀薄的原子蒸 气的原子化器，原子只吸收某一频率的光能，被激发后发射荧光，荧光池处于被 检测器观测到的立体角内，且荧光不被重新吸收。此时原子荧光强度i r 与激发 光强度i n 和原子荧光量子效率巾之间有如下关系： i f = 巾i 1 一p “r “。 ( 1 1 ) k v 为频率v 的峰值吸收系数；n o 为单位长度内基态原子数；l 为吸收光程。上 式按泰勒展开为： i f = 巾i 【k ，n o 一( k ，n o ) 2 2 f + ( k ，三n o ) 3 3 l _ ( 1 2 ) 当n o 很低时，括弧内第二项和更高项可以忽略，原子荧光强度可简化为： i f = 叫4 k ，三n o ( 】3 ) 由于荧光是由四面八方辐射出去的，而仪器只能测量立体角q 范围内的荧光强 度，因而测得的荧光信号f 为： f = i ，q 4 万= m _ k ，三n o q 4 万 ( 1 4 ) 在一定条件下巾，i a ，k v ，l ，q 均为常数，而n o 与分析物质浓度之间有一定 正比关系，所以上式可进一步简化为： f = k c 】( 1 5 ) 浙江人学化学系硕士生学位论文 筇章原子荧光光谱分析技术概述 1 3 原子荧光光谱仪器装置 目前的普通的原子荧光仪如图1 2 所示，一般都包括光源、原子化器、光学 系统、光电检测器和数据记录仪部分。下面就各个部分的发挥的功能和起到的作 用作一介绍。 图l2 北京吉天公司生产的双道原子荧光分析仪 1 3 1 光源 作为原予荧光的理想光源应该具有：强度高、稳定性好、噪声小、寿命长、 价格便宜等条件。早期研究中曾经用过蒸汽放电灯、无极放电灯，8 0 年代的早 期商品化仪器中通常使用笔形汞灯，现在的商品化仪器通常使用空芯阴极灯，目 前最理想的光源是染料激光光源，但由于价格太高还难以商品化。 1 3 2 原子化器 原予化器是使样品原予化并将蒸气送入光路的部件。理想的原子化器应该具 有：高原子化效率、低物理或化学干扰、低背景发射、稳定性好、重复性好等条 件。通常的原子化器主要有火焰原子化器、石墨炉原子化器、石英管原子化器等。 火焰原子化器经过几十年研究发展，已经相当成熟，是目前最为广泛使用的原子 化器之一。它的作用原理是首先使样品雾化成气溶胶，然后通过燃烧产生的热量 使进入火焰的试样蒸发、熔融、分解成基态原子。其优点是操作简便、分析速度 快、分析精度好、测定元素范围广、背景干扰小。但也存在雾化效率低及燃气和 助燃气的稀释致使测定灵敏度降低等缺点。 4 浙江大学化学系硬上生学位沦文 第章原r 荧魁光谱分析技术概述 1 3 4 检测器 检测器的作用是完成光电信号的转换。原予荧光最常用的检测器是光电倍增 管，它是种多级的真空管，内部有电子倍增机构，由光窗、光电阴极、电子聚 焦系统、电子倍增系统和阳极5 个部分组成。光窗是入射光的通道，光电阴极是 光电变换，接受入射光，向外发射光电子。电子聚焦系统使前一级发射出来的电 子尽可能没有损失落到下一个倍增极上。电子倍增系统由二次电 x, 浙江人学化学系硕士! 卜学位论文第幸原子荧光光谱分析技术概述 图1 5 汞的能级图 1 4 3 原子荧光法测定汞的方法 常规原子荧光法测汞技术包括火焰原子荧光法( f l a m ea f s ) i 2 6 蝽口冷蒸气发生 原子荧光法( c v - a f s ) 1 2 7 , 2 8 。还可采用形成铜【2 ”，或银【2 2 r 2 3 l 和金1 2 4 , 2 5 1 等金属 汞齐的方法，对试样中汞进行预先浓集，以降低检测限至n g l 级。在仪器光学 系统的选择上，非色散型比色散型要好，非色散型有更高的能量输出，更低的检 测限( 大约是色散型的6 倍) 和更简单的仪器构造。 采用联用技术测定汞的特点是可以实现测定的自动化或同时分析汞的种类 和含量。如m o r i t a 等人首先报道了一种使用流动注射系统( f i ) 与冷蒸气发生 原子荧光( c v - a f s ) 结合的测汞技术( c v - a f s f i ) 【2 ”，实现分析的自动化。 浙江火学化学系硕士生学位论文筇章原予荧光光谱分析技术概述 e b d o n ，l 等3 印在测汞的工作中使用了一种气相色谱高温分解原子荧光光谱 联用的方法，测定食物中的总汞和有机汞含量，所采用的仪器构造如下图1 7 。 采用8 5 0 高温使得从气相色谱中出来的含有汞的样品热解，产生的汞蒸气进入 原子荧光系统检测。检测限为2 0 0n l ，r s d = 5 。 图1 7 气相色谱高温分解原子荧光光谱仪器示意图 c h u n m a o ，一等吲采用流动注射结合冷蒸气发生原子荧光技术( c v _ a f s ) 在线自动检测环境中的单甲基汞( m m h g ) ，如图1 8 所示。这个系统设计是在 分析一个样品是自动进行下个样品的准备，减小分析时间，所以用两个气液分 离器入下图1 8 左边部分。气液分离器出来的气体由一个1 0 通阀控制进入气相 色谱柱分离，然后经过8 0 0 管，再通入原子化器分析。该系统所需样品体积 5 0 一1 5 0m l 平均每个样品分析时间1 5 面n 。检测限达到o 0 1n g ，精密度r s d 小于5 。 浙江大学化学系硕上生学位论文第章原子荧光光谱分析技术概述 图1 8 在线流动注射原子荧光仪器图：( 1 ) 气液分离器( 2 ) 1 0 通道阀( 3 ) 等温气相色谱炉 ( 4 ) 热解池( 5 ) 原子荧光光谱仪( 6 ) 带有色谱软件的微机系统( 7 ) 流量计 顺序注射在线原子荧光测汞f 3 8 】，如图1 9 所示。左下角的长方形容器中装有 标准品、样品、浓硫酸载液、o 5 的高锰酸钾氧化剂、o 4 的氯化亚硒还原剂。 由b 、c 、d 、e 四个顺序注射阀控制流路通向中间的六通阀，再通过段混和 管混和，然后通向气液分离器，出来的气体用干燥氩气载入检测器检测。样品流 速为8m l “n ，载气和保护气的总流速为1 1 0 0m l m i n 。检测精密度r s d = 5 8 8 9 。 浙江大学化学系硕士牛学位论文第j 章原子荧光光谱分析技术概述 图1 9 在线流动注射冷原子荧光分析测汞示意图 c a v a m o n t e s i l l o ，p 等人研究了一种全自动化在线超声提取检测汞的技术，并 用于鱼中汞含量的检测【3 ”。仪器结构示意图如下图1 1 0 所示：样品、载液和氧 化剂通过一台流动注射泵进入两个5 0 的水浴池，样品再进入之问先通过一段 弯管超声。水浴后的样品和氧化剂混和进入混和池，这时样品中的汞已经被提取 出来了，然后用氯化亚硒还原，被还原后的物质通入气液分离气，氩气做载气将 气液分离后的汞蒸气载入干燥管再通向检测器检测。这种方法的检测限为7 “g m g ，r s d = 6 8 。 图1 1 0 在线冷蒸气发生原子荧光测鱼中汞含量v 1 、v 2 为六通阀分别控制样品和氧化剂的 进入。b l 为长7 0 c m 管径o 8 m m t e 日o n 反应管。 浙江人学化学系硕上生学位论文 第一章原子荧光光谱分折技术概述 参考文献： 【1 w i n e f b r d n e r j d ；v i c k e r s ，t j 一珂日fc 协e m 1 9 6 4 ，3 6 ，1 6 1 2 】h o l a l ( ，w 爿n d c 协p 舰1 9 6 9 ，4 ，1 7 1 2 【3 】t s u j i i ，k ；k u g a ，k 爿”tc f 聊爿c 埘1 9 7 8 ，们，1 9 9 【4 】l e e 肌a k e r s ，m ；b a e y e n s ，w ；q u e v a u v i i l e r ，p - ；h o r v a t ，m 丹p 出4 门以c 矗8 m 2 0 0 5 ，2 4 ，3 8 3 【5 】w h 0 ， e n v i r o m e n t a lh e a l t hc r i t e r i a 1 0 1 ，m e t h y l m e r c l l 】吼w o r l dh e a l t h 0 r g a i l i z a t i o n ，g e n e v a ，s w i t z e r l a n d ，1 9 9 0 ，p ，l4 4 6 】m e r c u r yi i le n v i r o 蛐e n t a lc h e m i s t r y ，e d p o n e i l l ，c h a p m a i la l l dh a l l ，l o n d o n ，2 n d e d n 1 9 9 5 【7 】h a r a d a ，m c ，打r e v 胁f c o t1 9 9 5 ，2 j ，1 8 】m a r s h ，d ；c i a r k s o n ，t ；c o x ，c ；m y e r s ，g ；a m i n - z a “，l ；a l t i k r i t i ，s 彳觑 “，d 1 9 8 7 ，4 4 ，1 0 1 7 【9 】g a r r i d o ，i ；s o t o ，r m ；c a r i o s e n a ，a ；l o p e z m a h i a ，p ；m u n i a t e g u i ，s ；p a r d a ，d 爿砌 三p f f2 0 0 l ，3 4 ，l7 6 3 【1o h a f e z ，m a ，h ；k e n a w a y ，i m m ，；l a s h e j n ，r r 砀枷蛔2 0 0 1 ，5 j ，7 4 9 【1 1 m o r c d a p i n e i r o ，j ；m o s c o s o p 白e z ，c ；j o r g e ，m p ；c 蛐e n ，m p ；p 谢n c a c i o n ， l m ；s o l e d a d ，m l ；e s t l l e r ，f f ；d a o ，p r 冗觑埘2 0 0 1 ，j ，8 7 1 【1 2 】n i x o n ，d e ；b u r r i n ，m f ；m o ye r ，- p 印p c 肋c 厅沏彳f 舰助一b ，1 9 9 9 ，5 4 ， 1 1 4 1 【1 3 】h w a n g ，t j ；j i a n g ，s j j = 爿，砌正爿 跏c f ，o m 1 9 9 7 ，j 2 ，5 7 9 【1 4 】v a l d e s h e v i a y ，m t c ；1 e m p r a i l o ，m r ；s a l l z m e d e l ，a ，4 ，2 以爿tj s 抛c ，m 垅 1 9 9 3 ，8 ，8 4 7 15 】g u o ，x w 爿疗d ( 功f 舰c f 以1 9 9 5 ，3 j 口，3 7 7 1 6 】m a t u s i e w i c z ，h ；m i k o 埘c z a l ( ，m 爿瑚正爿t 印p c 抛野t2 0 0 1 ，坑6 5 2 【1 7 】g a r r i d o ，m l ；m u n o z o l i v a s ，r ；c 啪a r a ，c ，爿抑d 4 t 印p c 舳小1 9 9 8 ，3 ， 2 9 5 【18 】r a h m a l l ，l ；c o m s ，w t ；b r y c e ，d w ；s t o c k w e l l ，p b ，乃砌胁2 0 0 0 ，j 2 ，8 3 3 。 【1 9 】c a u p e i l ，j + e ；h e n 埘k s e ，p w ；b o n g e r s ，j s 彳竹以砌爿c m1 9 7 6 ，8 j ，5 3 1 浙江大学化学系硕：j 一生学位论文第章原r 荧光光谱分折技术概述 【2 0 】k i r k b r i 曲t ，g f ；w e s t ，t s ；b o n g e r s ，j s 爿门正( 功棚爿c 地1 9 7 3 ，6 6 ，l3 0 【2 1 】b r a l l d e n b e 唱e r ，h ；b a d er h 爿，爿6 s d p ， k w 彪弛1 9 6 7 ，6 ，l 叭 2 2 】m u s c a t ，v i ；v i c k e r s ，t j a n d r e n ，a 一门口 ( 功已卅1 9 7 2 ，4 掣，2 1 8 【2 3 】f i s h m a i l ，m j 爿门口正c 向e 卅1 9 7 0 ，4 2 ，1 4 6 2 2 4 】f e r r a r a ，r ；s c r i m ，a ；b a r g i g i a n j ，c ；p e t r o s i n o ，a 一玎口fc 厅f m 爿c 胁1 9 8 0 ，7 ， 3 9 1 【2 5 】s c o t t ，j e ；o t t a w a y ，j m 一m 舾r1 9 8 1 ，蚯1 0 7 6 2 6 】c k e r s ，t j ；s l e v i n ，p j ；m u s c a t ，v i ；f a r i a s ，l _ t | 爿 以c 话口坍1 9 7 2 ，4 4 ，9 3 0 【2 7 】e b d o 也l ；w i l k i n s o n ，j r ；j a c k s o n ，k w 4 h 口蜘f1 9 8 2 ，0 7 ，2 6 9 【2 8 】s h i m o m u r a ，s ；h i r o t o ，r 一胛以三p 盯1 9 7 3 ，6 ，6 1 3 【2 9 】m o n i t a ，h ；k i m o t o ，t ；s h i m o m m ，s 爿胛以上p 拱1 9 8 3 ，瓦1 18 7 【3 0 】l i a i l g ，l ；h o r v a t ，m ；b l o o m ，n s 劢肠n m1 9 9 4 ，4 j ，3 7 1 【31 】c a i ，y ；j a 髓，r ；a l l i ，a ；j o n e s ，r d 爿阳以c 协砌爿c 衄1 9 9 6 ，3 3 4 ，2 51 【3 2 】m e s t e r ，z ；w 0 1 l e r ，a ；f o d o r p - 蚴c ，口c 向p m ，1 9 9 6 ，5 亭，19 8 4 【3 3 】k l o c h e l ，a ；p o t g e t e r ，h j ( 功，d m 口f o 毋：一1 9 9 7 ，凇6 ，18 8 3 4 】y a i l ，x p ；y i n ，x b j i a l l g ，y ；h e ，x w4 ”矗矾啪2 0 0 3 ，硝，17 2 6 【3 5 】s h a f a w i ，a ；e b d o n ，l ；f o u l k e s ，m ；s o c k w e l l ，p ；c o m s ，w 月m 舾f1 9 9 9 ，m 1 8 5 3 6 】e b d o n ，l ；f o u l k e s ，m e ；r o u x ，s l 0 l i v a s ，r m 一”口而阳f2 0 0 2 ，2 7 ，11 0 8 【3 7 】c h u n m a o ，t ；c h a d ，r h ；w i l l i 锄，f f 爿行d 正c 向p 删2 0 0 4 ，7 瓯7 1 3 1 【3 8 】b r a l m a ，n ；c o m s ，w ：工；s t o c k w e l l ，p b ；e b d o n ，l ；e v a n s ，e h ，爿 口正t 牵地c 们珊1 9 9 7 ，2 ，6 1 1 3 9 】c a v a - m o n t e s i n o s ，p ；d o m i n g u e z v i d a l ，a ；c e r 、t e 琏m ，l ；p a s t o r ，a ；g u a r d i a ， m z 彳”n 正爿t 助p c 加脚2 0 0 4 ，9 ，13 8 6 1 4 浙江大学化学系硕士生学位沦文 第二章微流控芯片气液分离技术 第二章微流控芯片气液分离技术 2 1 引言： 微流控芯片( m i c r o n u i d i cc i l i p s ) 分析技术由m a n z 和w i d m e r 于2 0 世纪9 0 年代提出，是微型全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m ，t a s ) 中的重要组成 部分。以、a s 以微机电加工技术( m i c r o e l e c t m m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 为基 础，以实现分析仪器微型化、自动化、快速化和便携化为目裂”。主要研究工作 是通过化学分析设备的微型化和集成化，最大限度将分析实验室的功能转移到便 携的分析设备中，甚至集成到几个厘米大小的微流控芯片上。因此微流控芯片也 被形象地称为“芯片实验室”( l a b o n r a - c h i p ，l o c ) 。作为微型全分析系统的核心 技术微流控芯片具有众多优点。首先，微流控芯片分析系统具有极高的分析效率， 许多微流控芯片可以在数秒到数十秒时间内自动完成测定、分离或其他更复杂的 功能。它的分离和分析和速度高于常规分析方法一到两个数量级。其次，微流控 芯片分析系统在试样与试剂的消耗上已经降低到数微升甚至数纳升的水平。这样 的好处是既降低了分析的费用和贵重试剂的消耗同时也可以减少环境的污染。此 外，采用微加工技术制作的微流控芯片能将许多含有分析功能的部件集成到数平 方厘米的芯片面积上，方便携带，可以用于各类现场分析检验。最后，微流控芯 片当其实现批量生产后芯片的成本有望大幅度降低，从而有利于普及。微流控芯 片虽然诞生还不久，但是由于其在分析仪器微型化、集成化和便携化等方面的巨 大潜力，它的发展非常迅速，目前已经应用于环境分析f 2 】、食品分析f 3 、药物分 析【4 】、生物分析卧1 等多个领域。 气液分离( g a s - l i q u i ds e p a r a ：t i o n ) 是一种将气体和液体混和流体分离的技术， 根据所要达到的目的不同而设计出来的气液分离器有各自不同的原理和构造。气 液分离技术在分析化学中有较多应用，如在原子光谱分析中利用气液分离技术将 原子蒸气从反应试剂中分离出来，其分离程度地好坏直接影响到检测效果。 目前在微流控芯片中进行气液分离的研究工作还比较少，研究对象多为单相 的微流体体系，或者多相的液一液流体体系1 7 1 。这是由于在微体积下进行气液操 纵比较困难，气体的可压缩性使得气体的流速不稳定，此外，气体的粘度比液体 小2 到3 个数量级，也影响到流动的稳定性。因此目前在芯片中操纵气液混和流 浙汀大学化学系硕士生学位论文 弟一章微流控芯片气液分离技术 图2 5 气液分离芯片效果图( a ) 芯片构形图( b ) 分离效果 在考察气液分离的效果时，发现不同的气液流动速度及其混和比例，会形成 不同的气液间隔形态，这种不同形态的气液间隔会影响气液分离的效果。具体的 气液间隔形态如图2 6 ( a ) 所示。从图中可以清楚的观察到，当气液流速较小时， 气体在混合液中比例较小，形成气泡流：当气体的流速逐渐变大后气液混合液形 成间隔流；当气体的流速很大时气液混和就形成环流。而实验表明在气液混合流 形成间隔流的形态下气液分离才能比较好的进行。 1 9 浙江人学化学系硕士生学位论文第二章微流控芯片气液分离技术 当气液混合流通过气液分离通道时，在毛细效应的作用下，液体在粗通道和 毛细通道之问形成压力差(p)，将液体吸入毛细通道内。而液体流动的速度 以及毛细通道的数量也影响到气液分离的效果，它们的关系如图28。当液体流 速比较小时，毛细通道的数量不需要很多就能实现气液分离，甚至1个毛细通道 也能做到气液分离。啦峭鬟喇型崾怠嵫曜瘟倒唆磁蹙尚u急雌黟舻薹落霞；掣剖 千_ 坠期掣聪矧掣篚景j 霸 一 趣 t 萋 穗 萋 善 ； 霉i 掣；墓j 莲 喜；嚣擎鲁譬妻l l 霉竖冀喜交鼍蔷奏! 誊l ? i 融孑占未型i 丙靠茬型里上曾缨有讨菇喜彗 l 荔。i 扇湾硐耐碉蚜撺籀跫稀 黑 铂圣髻k 帑g 荠摹毒篓；l # d 塞棚橡喹堡毓蕉。1 。鲥篷曼馨篙班拙竖鸵塑尊 嗡俩粥音i 。：存甫含看舸第商攀街翔斋 的检测就显得极为重要。目 前测汞的方法有许多，主要包括： 火焰原子吸收光谱法( f l a m ea t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y , f a a s ) 1 9 ： 电热原子吸收光谱法( e l e c t r o t h e r m a la t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y ，e t a a s ) b o j i ； 电感耦合等离子体质谱法( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m am a s ss p e c t r o m e t r y , i c p m s) 1 2 , 1 3 ； 电感耦合等离子体原子发射光谱 法( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a - a t o m i ce m i s s i o n 浙江大学化学系硕j 生学忙沦文 第二章微流控芯片气液分离技术 利用这种构形的芯片能够检测水中的溶解氧，其原理与芯片图及检测结果如 图2 1 2 所示。图2 1 2 a 是溶解氧测定的原理图，气液交界面处氧气从液体中挥发到 氮气中，被氮气带走进入检测器检测。图2 1 2 b 所示的是芯片的构形，整个芯片 大小为3c m 7c m 的长方形。有两条通道，一条直的主通道供液体流动，另一条 两端蜿蜒的细通道通氮气流动。图2 1 2 c 显示了测定的结果与理论计算的比较， 其测量的结果与理论计算比较吻合。 8 沁芬c 辩而i 袋。 鬈飞 b i 需 l c o c t t i m el 搴) 图2 1 2 水中溶解氧的测定a ：测定工作原理图；b ：芯片实际尺寸结构图；c ：测定结果与 理论计算比较图 一置ad“o薯i受w罩a 浙江大学化学系硕士生学位论文 第二章微流控芯片气液分离技术 参考文献： 1 】m a n z ，a ；g r a b e r ，n ；w i d m e r ，h m 触一c m 口r o ，曰1 9 9 0 ，2 4 4 【2 】h i s 啪o t o ，h ；h o r u i c h j ，t - ；u c h i y a m a ，k ；t o k e s h i ，m ；h i b a a ，a ；k i t 锄o r i ，t 爿h 以c a p m 2 0 0 1 刀5 5 5 1 3 】w e b e r ，g ；j o 】1 1 1 c k ，m ；s j e p e ，d ；n e ye r ，a ；h e 玛e n r o d e r ，r m j c r ot c 帕】a n 8 l y s i s s y s t e m s2 0 0 0 k l u w e r a c a d e m i cp u b l j s h e r s ，n e t l l e r l a n d s ，2 0 0 0 1 3 8 3 【4 c h i e m ，n ；h a r r i s o n ，d j 一疗以c 协朋f 1 9 9 7 ，卯，3 7 3 ， 【5 】w a t e r s ，l c ；j a c o b s o n ，s c ；l ( r o u t c h i n i n a ，n ；k h a n d 嘶n a ，j f o o t e ，r s ； r 砌s e y ，j m 一瑚t 函f m1 ”8 ，7 馥1 5 8 【6 】e 髓n h a u s e r c s ；m a n z ，a ；w i d m er ，h m 爿玎以踟1 9 9 3 ，酊，2 6 3 7 【7 】z h a o ，b ；m o o r e ，j s ；b e e b e ，d j 把”c p2 0 0 l ，2 9 j ，1 0 2 3 【8 】t o k e s h i ，m ；k a i l 电k ；h i b a r a ，a ；k i t a m o r i ，t i nn o c p p ( 疗胛伊可肋c 加而f 口， 爿 d 舾西跏把m s2 口0 2 ；b a b a ，y ，s h o j i ，s ，v a nd e nb e r 岛a ，e d s ；k i u w e ra c a d e m i c p u b l i s h e r s ：d o r d r e c h t ，2 0 0 2 ；p p3 5 6 3 5 8 【9 】m a s ，n ；g u n t h e r ，a ；s c h m i d t ，m a ；j e n s e n ，k f 砌d 上，眵c 矗p 卅r 鲫2 0 0 3 ， 4 2 6 9 8 【1 0 】方肇伦等流动注射分析1 9 9 9 ，8 ，2 0 1 【11 e r x l e b e n ，h ；r u z i c k a ，j 一h 正c 佟p m 2 0 0 5 ，77 ，5 1 2 4 1 2 】g u e n t h e r a ；k h a l l ，s a ；t h a l m 籼，m ；1 h c h s e l ，f ；j e n s e n ，k f 三曲f p 2 0 0 4 ，4 ，2 7 8 1 3 g u n m e ra ；j l l u n j h u n w a l a ，m ；t h a l m a n n ，m ，；s c h m i d t ，m - a ；j e n s e n ，k f 三口打g 脚“扣2 0 0 5 ，2 j ，15 4 7 【1 4 】h i b a r a ，a ；l w a y a m a ，s ，m a t s u o k a ，s ；u e n o ，m ；k i k u t a i l i ，y ；t 0 k e s h i ，m ； k i t a m o r i ，t 彳舱口 c 而朋_ 2 0 0 5 ，7 7 ，9 4 3 浙汀大学化学系硕上牛学位论文第j 章微流控芯片原了荧光分析系统的研究 第三章微流控芯片原子荧光分析系统的研究 3 1 引言 原子荧光光谱分析法是一类具有较高的检测灵敏度的无机分析技术。而微流 控芯片分析技术，具有微型化，快速化，便携化等优点。但是目前在微流控芯片 上进行原子荧光分析的研究在国内外都还没有报道过，已有的微流控芯片原子光 谱分析系统仅有z i m m e m a n n 等人1 采用单晶硅材料和玻璃制成的原子发射光谱 检测器。如图3 1 所示，芯片由三层组成，最下面和最上面的为玻璃层，中间为 硅层，在最下面的玻璃层与硅之间加工通道，作为电解池电解水，工作时点燃电 解水产生的氢气和氧气产生氢氧焰。匕层玻璃和中间硅直接加工气体试样进入的 通道，当样品为气体时可以直接由该通道进入，到氢氧焰然后被激发产生原子发 射光谱，被检测器检测。当样品为液体时在芯片氢氧焰出口附近安置一微型原子 化器将液体样品原子化后喷射到氢氧焰中，产生原子发射光谱，然后被检测器检 测到。 图3 1 微流控芯片原子发射光谱分析仪器 本论文目的是将原子荧光分析技术结合到微流控j 苍片上，研制一种基于微流 控芯片的原子荧光分析系统，既有原子荧光分析的高灵敏度优点，又有微流控芯 片微型化和快速的优点。研究中，原子荧光检测光路选用正交非色散光路结构， 以简化系统结构。试样体系选择简单的冷蒸气发生原子荧光分析汞的体系。 浙江大学化学系硕士生学位论文 第三审微流控芯片原，荧光分析系统的研究 3 2 实验部分 3 2 1 实验材料与试剂 实验所用水为去离子水。实验中所有的试剂均为分析纯试剂，包括：氯化汞、 硼氢化钾、浓盐酸、氢氧化钾、硝酸铈铵、氟化氨、高氯酸、浓硝酸、浓硫酸、 氢氟酸。 环氧树脂胶( 浙江黄岩光华胶粘厂) ( 配比：a 胶b 胶= l 1 ) ；5 0 2 胶；t y 9 0 n 泵管，t e n o n 管，石英毛细管，氩气，六通阀，医用注射器。 h g 标准储备液的配制： 准确称取h g c l 2 ( 9 9 5 ) 0 6 7 7 2g 溶于水，移入5 0 0 m l 的棕色容量瓶中， 加入1 0 m 浓h c l 溶液5 0 m l ，用水稀释到刻度线并摇匀，配制成含有h g1g l 的标准储备液。 汞标准溶液的配制： 吸取汞标准储备液1 0 0 0 m l 移入1 0 0 m l 容量瓶中，用1 m h c l 定容到刻度 线并摇匀，此溶液含 k1 0 0m g l 。用上述步骤逐级稀释，配制成1 0m g 几，1m g l ， 1 0 0 陷，l ，1 0 g 几，1 肚g l ，1 0 0n g l ，1 0 n g 几，1n g l 汞标准液。 k b h 4 溶液的配制： 分别称取o 2 ，0 4 ，0 6 9k b h 4 ，用o 2 ( 1 1 1 v ) 的k o h 溶液溶解定容到 1 0 0 m l 容量瓶中，配制成0 2 ，o 4 ，o 6 k b h 4 ( 山) 溶液。 去铬液的配制： 称取硝酸铈铵3 0g ，溶于1 3 2 m l 水中，加入7 7 4 埘_ l 高氯酸，混匀。 刻蚀液的配制： 称取3 7g n h 4 f 溶解于5 0 m l