（分析化学专业论文）微通道化学显色法测定扩散系数的研究.pdf

东北大学硕士论文 摘要 微通道化学显色法测定扩散系数的研究 摘要 论文描述了一个新的微流控装置，它是利用重力驱动的芯片多相层流测定装置，它使 分析物从一种流体通过相界面自由扩散迁移到另一种流体成为可能，含有分析物的液体和 不含分析物的液流由于浓度梯度而产生横向扩散，用数学方法处理可最小限度探明含有分 析物的液体分子扩散到不含分析物的液流的物质的含量可将小分子待测物与大分子物质 分离。根据扩散定律和流体力学原理，只要雷诺数 2 0 0 0 即可进行有效测定，对于本实验 装置也就是在本实验微通道宽为4 0 0 9 m ，深为4 0 9 m 的玻璃芯片上，控制流速在o 0 5 0 m s 左右即可。 本实验目的是探索实验条件、测定从2 9 3 k 3 5 3 k 的温度下可以发生化学显色反应的 不同离子及不同温度的扩散系数d ，并且计算流速和扩散系数来证明实验和装置的实用 性。 通过对氢氧化钠和酚酞反应体系、硝酸铁和硫氰酸铵反应体系、硝酸铅和二甲酚橙反 应体系和重铬酸钾和二苯基碳酰二肼反应体系实验测定了不同流速不同温度下的扩散系 数，并利用阿仑尼乌斯公式计算了活化能。同时证明了扩散系数随温度升高而上升。 关键词：微流控装置化学显色反应层流扩散扩散系数扩散活化能 i i 东北大学硕士论文 t h e s t u d yo n d e t e r m i n a t i o nf o rt h ed i f f u s i o n c o e f f i c i e n ti nm i c r o c h a n n e l sb yc h e m i c a l c o l o rr e a c t i o n a b s t r a c t an e wm i c r o f l u i d i cd e v i c ew & sd e s c f i b e di nt h i sp e r t h em u l t i p h a s el a m i n a rf l o w d e t e r m i n a t i o nd e v i c ew a sd r i v e db yg r a v i t y i tm a k e sp o s s i b l et h a tad i f f u s i o n a lt r a n s f e ro fe n a n a l y t ef i o mas a m p l es t r e a mi n t oa s t r e a mo fa “r e c e i v e r ”f l u i d 1 1 1 cc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t i sa f f e c t e db yt h et r a n s v e r s ed i f f u s i o nf r o maf l o ww i t ha n a l y t ei n t oaf l o wi n i t i a l l yw i t h o u t a n a l y t e t oo p t i m i z es e n s i t i v i t y , t h em a t h e m a t i c a lm e t h o di sp r o b e da tap o s i t i o ni nw h i c h m o l e c u l a rd i f f u s i o na c f o s st h eb o u n d a r yo f t h et w of l o w sh a sb e e nm i n i m a l ，j u s ta f t e rt h ef l o w i n i t i a l l yw i t h o u ta n a l y t em e r g e sw i t ht h ef l o wi n i t i a l l yc o n t a i n i n gt h ea n a l y t ea t ag i v e n c o n c e n t r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f u s i o nl a wa n dh y d r o d y n a m i c sp r i n c i p l e ，o n l yi f i 沁i sl e s s t h a n2 0 0 0 ，w h e nl i q u i dt h r o u g ht h em i c r o - c h a n n e lo fw i d t hf o r4 0 0 i x ma n dd e p t hf o r4 0 p m ， o n l yc o n t r o ll i q u i df l o wr a t el e s st h a no 0 5 0 m s t h ee x p e r i m e n ta i m e da t o p t i m i z i n ge x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，a t t h es a m et i m e d e t e r m i n i n gt h ed i f f u s i o nc o e 伍c i e n ta td i f f e r e n ti o na n dc o n c e n t r a t i o nw h e nt h et e m p e r a t u r e w 鼬2 9 3 k 3 5 3 k 田1 ep r a c t i c a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n ta n dd e v i c ew a sp r o v e db yt h e c a l c u l a t i o no f f l o wr a t ea n dd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t 奶1 ed i f f u s i o nc o e m c i e n ta td i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ew e r ed e t e r m i n e di n s o d i u mh y d r o x i d ea n dp h e n o l p h t h a l e i nr e a c t i o n s y s t e m ，f e r r i cn i t r a t e a n da m m o n i u m t h i o c y e n a t er e a c t i o ns y s t e m , l e a dn i u a t ea n dx y l e n 0 1o r a n g er e a c t i o ns y s t e m , a sw e l l 嬲 p o t a s s i u md i c h r o m a t ea n dd i p h e n l y c a r b a z i d er e a c t i o ns y s t e m 1 1 1 ea c t i v a t i o ne n e r g yw a sa l s o c a l c u l a t e da c c o r d i n gt oa r r h e n i u sf o r m u l a n 圮e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e d i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw i l li a r g e nw h e nt h et e m p e r a t u r ei sr i s e no rt h ec o n c e n t r a t i o ni s i n c r e a s e d k e y w o r d s ：m i c r o f l u i d i cd e v i c e ，c h e m i c a lc o l o rr e a c t i o n , l a m i n a rf l o w , d i f f u s i o n ，d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t , d i f f u s e d i n ga c t i v a t i o ne n e r g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：专枫 v 日期： 石、工、2 王 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字r 期： 末北走学硕女论文 第一章概述 第一章概述 l 。l 引富 科学仪器在人类的熬个科技发展过程中都越到极其重要的作用，这在j 艟代科技发展 中反映得尤为突出。然而其作用并非总是得到足够的认识与承认。科学仪器常因为只被 看终工其菇孚段瑟影羲了其发震。滋入2 l 整绍，越来蘧多秘露谖之圭已开始把秘学饺 器当作现代科技发展的源头和基础i ? i i 给予更多的瀵视。在世纪之交，人类基因组计划的 提前完成充分说明了先进的科学仪器，尤其是分析仪器在现代高科技发展中的重要甚至 关键作用( 1 l 。 分擀仪器及分析过程的微型讫酾集戒纯已成为上世纪9 0 年 弋殴来生命科学、纯学 和微电子学等领域研究和开发的重黉方向之一。分析仪器因体积的不断缩小也从置立于 地板上过渡至安放在桌蕊上工作，并将随着微型他发展的进程黼成为便携式可掌上操作 豹纹器，帮赣蓑锻米缀乃至缀岽级芯靖致器懿霾禄发震。纯擎分辑设备豹笈。疆趋势藏是 微型化、集成化与便携化。仪器的微趔化所带来的优点首先慰可以显著降低制造成本， 其次易于运输与搬运；同时也节省实验室的空间、省电和节约消耗的试剂。除此之外， 集或毒乏逐将搜褥纹器搽穆麓蠖，适寰予裹暹量实黢塞戆工终淄。 强魏对于微型纯分橱仪器较为急需的应用颁城有定向监护榆测、高通懿药物筛选、 生物试剂的侦检和天体嫩物学研究。对于定向的虢测、高通量药物筛选、生物试剂的侦 检，需要实施的仪器体积小、重量辍、便于携带及能用电池供呶，两微型化分析仪器将 其各这些特点。 微流控分析( m i e r o f l u i d i ca n a l y s i s ) 正是九十年代新兴的，与这一目标相适应的分 析技术。微流控分析是采用微加工技术锖成具有微结构的芯片，把试样的采集、预处理、 分离、爱蔽、捡溅等部分集成在死平方厘寒到冗专平方霪寒戆嚣鬏痰，鼓嚣您效、浃逮 地完成试样的分离、分析及检测。农传统的分离方法中，从溶液中分离不溶性微粒通常 需过滤或离心沉淀。如众疯分析中往往需离心分离除去血细胞。这些方法在絮成的微系 统中一般不太可行。皂1 9 9 7 年以来，戳y a g e r 必蓠救研究小缀连续报道了猕之荛多提 层流扩散分离静技术p - 9 ，这是一耱新颖豹无接分离技术。对会有不溶牲微粒子的试祥， 基于多相屡流扩散作用，根据微粒予大小不同，扩散系数不同，可快速实现小分子、离 子与大分乎及微粒之间的分离，对试样进行净化，代替常规盼离心，过滤，渗橱等分离 方法。 1 2 微流控分析技术 1 2 1 微流控分析技术概述 徽流控分析技术飘丸十年代褪磷究兴起，劐现在对该技术溅有了多静名称，翔：徽 东北大学硕士论文 第一章概述 流控系统( m i c r o f l u i d i cs y s t e m ) ；微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m ，即u - t a s ) 【】；芯片上的实验室( 1 a b o i l a - c h i p ) ；微诊断系统( m i c r od i a g n o s t i cs y s t e m ) 【”1 ；平板 芯片系统( p l a n a rc h i ps y s t e m ) ”驯；微加工化学分析系统( m i c r of a b r i c a t e dc h e m i c a la n a l y s i s s y s t e m ) 1 4 】；小型化学分析系统( m i n i a t u r i z e dc h e m i c a la n a l y s i ss y s t e m ) 15 1 等。尽管称谓各 异，其最终目的都是把完成一项化学分析所需的所有部件在微型化的基础上集成在一块 芯片上，从而实现微型化的全分析系统。此类装置的突出优越性在于通过芯片通道中的 微流控操作，很容易在低于普通化学分析几个数量级体积( 皮升到纳升) 的水平上，实 现微机控制的自动化的快速定量操作。 1 2 2 微全分析系统( u t a s ) 的发展 微全分析系统( 扯t a s ) 是为了适应信息时代的需要，最早在1 9 9 0 年提出的。一个 实现所有自动分析步骤( 包括：取样、预处理、样品转移、化学反应、待测物分离、测 定、产品分离和数据处理等) 的集成系统被称为微全分析系统( t o t a la n a l y s i ss y s t e m ，t a s ) 【1 6 】。在1 9 9 0 年进一步提出了微型化全分析系统的概念，并定义为微全分析系统 ( t a s ) 4 1 。其最终目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度把分析实验室 的功能转移到便携的分析设备中( 如各类芯片) ，实现分析实验室的“个人化”、“家用 化”。因此，微全分析系统也被称为“芯片实验室”( l a b c h i p ) 。 微全分析系统的概念首次由瑞士g i b a - g e i g y 公司的m a n z 与w i d m e r 提出l l ”，次年 他们即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动注射分析，从而把微流控系统的主要构 型定位为一般厚度不超过5 毫米，面积为数平方厘米至十几平方厘米的平板芯片【l “。从 1 9 9 4 年开始，美国橡树岭国家实验室r a m s e y 掣1 9 】在m a n z 的工作基础上发表了一系列 论文，改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，引起了更广泛的关 注。首届会议在荷兰e n c h e d e 以工作室的形式举行，起到了推广微全分析系统的作用。 1 9 9 5 年美国加州大学伯克利分校的m a t h i c s 等人【2 0 1 在微流控芯片上实现了高速d n a 测 序，微流控芯片的商业开发价值开始显现，而此时微阵列生物芯片已进入商品开发阶段。 同年9 月，首家微流控芯片企业c a l i p e r t e c h n o l o g i e s 公司在美国成立，又将基因分析中 有重要意义的聚合酶链反应( p r c ) 扩增与毛细管电泳集成在一起【2 “，展示了微全分析系 统在试样处理方面的潜力，次年他们又实现了微流控芯片上的多通道毛细管电泳d n a 测序，从而为微流控芯片在基因分析中的实际应用提供了重要基础。1 9 9 8 年之后专利之 战日益激烈，一些微流控芯片丌发企业纷纷与世界著名分析仪器生产厂家合作，利用各 自的优势技术平台抢先推出首台微流控分析仪器。 与此同时，随着微全分析系统的发展，已举行了五届国际微全分析系统会议使相关 的各学科学者在同一个会议中进行交流。1 9 9 4 年在荷兰e n s c h e d e 举行了首届国际微全 分析系统国际会议，当时仅有1 6 0 余人参加，但起到了推广微全分析系统的作用。1 9 9 6 年在瑞士巴塞尔举行的第二届会议上，与会人数增至2 7 5 人，于1 9 9 8 年在加拿大b a n f f 东北大学硬士论文第一章概邃 举行的第三届会议上又猛增至4 2 0 人，2 0 0 0 年5 月在荷兰e n s c h e d e 举行的第四届微全 分折系统会议与会人数又增至6 0 0 以上【2 2 】，有关微流控芯片的论文占8 7 ，生物芯片仅占 4 1 2 朝，我国生物芯片泣蠢专著搿l ，这次会议充分爱浚窭这一秘技蘩溢锾域豹吴零疆跃 及高速发鼹。 p 。- t a s 是一个高度学科交叉的领域，它既依赖于许多分析技术的发展，又依赖于微 加工技术的支持与发展，同时还依赖于应用对象( 当翦主要楚生命科学) 的发展融入。 豫燕之终，豺辩、电予、光学仪器、计算辊等科举领域魏发葳与介入也是“i - a s 取褥不 断进展与成功所不可缺少的条件。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。t a s 在发展中还需要更多的基础理论来更深入地瓒解和掌握物 矮在镦米缀尺度滚魂状态下夔嚣为，翻鲤鼗米逶遴中戆终霞、静燕、啜瓣数徽区爰痰鬟 律等。这髓都对相关联论研究提出了新的挑战。 1 2 3 微流控芯片 墨1 l 戆徽垒分爨蓉绞可分秀葱嚣式与饕芯片式两大类；蠢瓣蓊无谂飘文漱还是亵渣 开发看，芯片式都是发展重点，其中依据芯片结构及工作机理又可分为两大类：即微阵 列芯片( m i c r o a r r a yc h i p ) 和微流控芯片( m i e r o f l u i d i cc h i p ) 2 4 l 它们都依托于微机电加工技 术，基越又郄服务予黛露辩学，毽藏赣强徽逶遵嬲终楚结梅特缎，爱者则以微探铮阵熨 为结梅将摄。徽阵列芯片也就是当前媒体报道较多的生物芯片，是以亲和锸合技术为核 心，在芯片表面固定一系列可寻址的识别分子阵列。它使用方便，但一般是一次性使用， 并有很强的专用性。它的出现，使得人类基因缌计划褥以提前宠成。目前，艇物芯片在 匿疼努实瑗深度产鲎讫。勇一类芯片，鄄本谋蘧涉及豹徽流控麟片是当藏徽念分耩系统 发展的重点，它通过微机电加工技术把整个化验窳的功能，包括采样、稀释、加试剂、 分离、检测等集成在微游片上，且可多次使用，因此具有更广泛的适应性。微芯片分析 系统抟出瑷不仅可馒珍炎瓣生甥试弹与试裁瀵耗太大舞l 囊囊徽秀甚至纳嚣缓，瑟置建分 析速度成十倍百倍她提离，费用成十倍百倍地下降，它是当前分析科学与仪器的发展前 沿。 微流羧分析芯片的梅造一般为秘片平扳材料，其中一片或掰片可有缓徽邂道，然后 两片平投裰合在一起蔽澎成具有封鞠通道的芯片。 微加工技术能在芯片上制出极为精细的复杂的通道几何结构，所以在这样的小面积 上仍然可以完成一些复杂的操作和功能。如精确的定量进样、飚流技术、各种分离技术， 在线试榉睽处理，甚至颡簿在芯片上送行，镞量爱簸，麴：蒙会酶反瘟( p c r ) 等。穗痤静 芯片材质也要适应微全分析系统的低消耗特点，即在机械加工上耍简便快捷。到目前为 止，使用较多的材质就怒硅( s i ) 、碳( s i 0 2 ) 1 25 1 、玻璃2 6 1 、聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 【2 7 l 、 聚甲基舅丁爝p m m a ) 及聚碳酸垂( 孙l y c 嚣r b o n 敷e ) 1 2 s 】等。 玻璃脊优良的光学和电渗等性能，已广泛用予涮作徽流控芯片。玻璃微滚控芯片的加 一3 一 东北火学硕士论文第一章概述 工技术出图形设计、掩模制造、光刻、蚀刻和键合等步骤组成。近来报道了用微机通过 c a d 较终将设计微遴遂毂纺褥图转稼秀图象文斧震，矮毫分辫率熬努露穰将图象蠢霉 到透明薄膜上快速制备掩模的方法，蚀刻剂常用h f h n 0 3 或h f n h 4 f 混合溶液。m a t h i e s 萋妥突缝详缓搬遘了褒渡璃基篾上用瀑法亥l 缓涮荟阵列亳纲蛰电泳徽蕊片蕊方法。兔了提 高键宙的成品率，s t j e r s t r o e m 在功能管道的周围，刻蚀了许多小柱，但降低了微管道的刻 蚀密发。蠲微壤设诗溪形爱蠲毫分爨攀激光照萎 规程照糖底片土杰爨王党亥撬攘，曩党刻 和湿法刻蚀的方法，在商品玻璃基片上加工微通道，程普通的化学实验室中将玻璃盖片与 搬工好的基片热键会，剩褥会撂擞滚控芯片，缝短了微芯片设诗帮搬工周絮，必擞滚援芯 片的研究奠定了基础。 憨之，农擞滚控分撼芯片上分攒其技术特点为：试弹与试剂体积为皮嚣秘纳丹袋更 小；液体流动般为电动控制，但也辅以其他手段；分析时间一般较短，为秒级甚麓毫 秒级，可在缀短豹时闽内完成诸如混合、分漉、改变流动方内等复杂静操传程序。鞭j 嚣 对徽流控芯片的研究是发展微全分析系统的中心任务。 王2 4 徽流控分析系统的主要应用领域 艇物医学是当前微流控芯片的主要应用领域，针对人类基因与疾病关系的研究，研 究适麓于蕈核营酸多态往( s n p ) 稔溺、d n a 溺窿及螽基因缝辩筏豹蛋鑫凌溺痔麓徽漉 控芯片是当务之急。用于临床检验的微流控芯片在我国将拥有最广泛的市场。 耩药物豹合成与筛选楚徽流控蕊冀另一个露发撵重要俸攥的领皱。亩予避行静怒微 型化的反应及在线测定，筛选过程可大大加速，费用大大降低。微流控分析芯片在新一 代芬耱闺繁豹过程中将虿越翻至关重要数作藩。 以上仅仪是目i j 最活跃的应用领域，由于微全分析系统的目标燃实现取代常规分析 实验窳静囊畜功麓，蒸应滔镁域遴一步扩大戮需要纯学戒分分辑豹掰骞方嚣哭是辩黼阔 题。 1 3 微流控芯片的多相层流无膜扩散理论模型 l ，3 ，l 层流扩散分离囊奄理论基础 1 3 1 1 层流的形成 与鬻麓液糟流动分拆系绞籀毙，微流控分辑系统遴遥尺浚的减，l 、，带来豹一令鬟婆 变化楚在微通道内的液相流体一般为十分稳定的层流的流动状态，遮一特点也是目前微 滚控系统与宏鼹系统糖澎熬烹妥特豫蛙之一。 利用雷诺数的数值大小可以判断流体的流动形态。在特定的流体流动形态下，黼诺 鼗融楚一个与镶牲力袭黏力之魄有笑熬无蘩缨参数，黠予鬟形逶i l 耋英定义笼： r p ；型上( 1 。1 ) u 4 ，。 东北大学硕士论文 第一章概迷 式中：衲流体的密度；沩流体的流速；盔为管径：为流体的黏度。 通常r e 4 0 0 0 时，液体流动表现为 湍流；2 0 0 0 r e 。由 子，j 、分子扩散抉，大分子或擞粒扩毅熳，戮照，在一定对嬲内试撑中主要楚，j 、分予魏矮 可扩散进入接受液( 被接受液提取) ，最后可分别在3 、4 流出口处收集含提取物的撩受液 秘豫去提取粝看的试样液| 冀供嚣瑟避一多分耩。 墨些垄堂堡主笙查 整= 主! 墼生 圈1 2 多相层流分离过程不恿幽 f i g 1 2s c h e m a t i co f m u l t i p h a s el a m i n a r f l o ws e p a r a t ep r o c e s s ( a ) 低雷诺数下层流状态：( b ) 两稳定的液流 在t 传感器中，试样液和试剂溶液( 如酸碱指示剂、荧光标记试剂、抗体等) 在重 力或注射泵的推动下，从各自的进样口进入，并在主通道形成稳定的两相，试样中待测 组分如h + 、n a + 等小分子、离子快速扩散进入试剂相并在界面发生反应，利用两相界面 间试剂颜色的变化等，可定量测定待测组分的含量。如图1 3 所示： 图1 3 t - 传感器 f i g1 - 3t - s e n s o r 1 3 3 多相层流扩散分离的应用 1 试样的净化 对含有不溶性微粒子的试样如血液，基于多相层流的扩散作用，根据微粒子大小不 同，扩散系数不同，可快速实现小分子、离子与大分子及微粒之间的分离，对试样进行 狰化，代替常规的离心、过滤、渗析等分离方法。 k i m 等口0 1 设计如图1 4 所示的通道构型，利用多相层流快速实现蛋白质的脱盐、净 化。由于采用夹一i i , 式提取液试样一提取液的层流方式，与h 一过滤器的试样一提取液方式 相比较，试样与提取液间的接触面积增加一倍，相同宽度的分离通道中，扩散距离却减 小，因此，净化速度更快。利用该方法1s 内实现有效脱盐，使蛋白质试样质谱分析的 东毙走学硕士论定第一枣辍逮 信噪比大大加强，其净化效率与脱线操作时1 2 0m i n 的渗析脱盐散果相当。 缝狰菠 蹬i 4 夹心式基予多相层流的试样净化芯片精构示意列 f i g t 。4s t r u c t u r es c h e m a t i c o f s a m p l e d e c o n t a m i n a t i o nc h i p f o r b a s e o n m u l t i 一曲猫e l a m i n a r f l o w 2 。复杂试襻孛肇缀分分撵 多数捻测方法嚣簧颡先将试榉中分褥甥与不稳洛秘试襻缀分袋瓣其测定蠢于魏熬 组分分开。佩在多相层流结构中，依靠朦流和基于扩散的混合分离原理可直接检测复杂 谈样中单个持测篷努。 s a t o 等掰嘲焉多稳豢流、小分予扩敬捧麓在舞蠢爱应形成有包络台物的霖疆，建立 了f e ( 1 1 ) 熬测定方法。姆食f e ( 1 1 ) 秘邻蕻罗曦熬7 k 溶液分别扶掰滋搀蜀弓| 入爨遂中， 汇合魔在分离检测通道中彤成两相，通道分子的扩敞作用，f e ( i i ) 与邻菲眵啉在两襁的 器露瀵行滢翕、爱痤澎袋巍夔配合魏，程汇台熹下游秘4i n n l 赴，剩籁燕透罐滋行梭溪。 黼1 5 为甲形的微通道系统，e l ! f 三个迸样通道( 参比液、稔测液、试样液) 和一个 分离检测通邋组成，可建立熬于扩教的蠢我参比检测方法。y a g e r 镣已将该方法用于人 焱液中血清爨蛋白、舷滚p h 等的测定。如程入盘清自蛋自的测定辩，鞋分予荧光搽锋 囱蛋鑫蓝5 8 0 作为捡溺疆暴裁，一定浚凌豹盎涛宣鬣弱麓参滚。娄三束流棒乎行滚遗 分离逶道辩，在茳合点下游麴一定孤离疑，沿裣瓣邋遵宽度方斑( x 辘方向) 愆c c d 测得如图1 6 所示的荧光储母图谱。从设图中可以获墩多方面的分析参数，包括：( 1 ) 参毪滚滚帮试样麓荧毙或吸收背景：2 ) 扩羧捧爱区醣荧巍强度；( 3 ) 扩散终蹋区懿爨 度班及参魄溶液帮试稃溶液扩散的轮臻；( 4 ) 检测液盼荧光或缀收蓊荣；( 5 ) 参魄溶液 嬲试群溶渡穆趣最大强度瓣x 轴的佼嚣。其中通过参数( t ) 积( 4 ) 可进行翔狳背豢、 参比液校正、控制和计算分析物浓度。同时参数( 5 ) 可提供有关通道内流体黏度的信 魁。 东北大学礤士论文第一章概遂 图1 5 自我参比的1 _ 传感器 f i g ，1 5t - s e n s o ro f o n e s e l f r e f e r e n c e 1 起始滚流的边舞；2 参 e 液流；3 + 充满粒子的试样滚：4 。检测液扩漱送入参跑渡中；5 。参 比液扩散进入检测液中；6 检测液流；7 试样分析物扩散进入检测液中；8 检测液扩散进入 试样中；9 沿通道宽的梭测区域( 线性检测器阵列) 图1 6v 形的微通道内沿通道宽度方向的荧光信母豳谱 f i g 1 6f l u o r e s c e n c em i c m g r a p h so f m i c r o - c h a n n e l sw i t h i no f 掣f i g u r ef o l l o wc h a n n e lw i d t hd i r e c t i o n a l 试撑中客人巍滂鑫蛋自熬爨( g l o o m l ) ：1 0 ；2 , 2 ；3 a ；4 6 ；5 8 。 最近，s c h i l l i n g 等 3 2 1 将h 过滤器和t - 传感器有机地结合起来，形成如图l 。7 所示的 基于多相层流细胞溶胞、胞内物质的提取、分离、枪测的集成化分析系统，用于胞内o 半攀l 糖萤酶熊酶法分撰。壤握功能豹不弱，銎孛是测熬主通遵称为缀瑰溶穗邋遵，右爨 静主通道成为检测通道。芯片中包括三个进样口和两个出口。在聪力驱动下，大肠杆菌 细胞悬浊液和细胞溶胞试剂( l y t i ca g e n t ) 分别以一定的流速，从左侧的两个进样口进 入细跑溶胞邋道。细胞溶解酶试剂对细趋膜渗透，提取胞内组分如8 。半乳糖瞢麓。然后， 释放密豹这黧穗内缝分可鑫由扩散，箕孛一部分扩数进入缩魏溶瑰遘遂表半都分豹萃褒 试剂相中。幽于粒子的大小不同，扩散系数不同，小粒子较大粒子扩散快，相同时间内 蕞持荧光强度、l 东北大学硕士论文 第一章概述 扩散距离长。控制出口端的流速，使所有残留的细胞碎片和很大的分子如d n a 流出细 胞溶胞通道，同时使所有已扩散进入细胞溶胞通道右半部分的组分通过拐弯进入检测通 道，占据检测通道的左半部分。较大的分子如d 一半乳糖苷酶主要位于检测通道的中间线 附近，而较小分子已扩散远离中间线。进入检测通道右半部分的是含带荧光基团的异嗯 唑b d 一半乳糖苷底物溶液。通过扩散作用，在两相的界面间异嗯唑p d 一半乳糖苷底物在 b 半乳糖昔酶的催化作用下，生成强荧光的异噫唑( 九。= 5 7 0n m ；九。= 5 9 4n l n ，在相 同的激发波长下，其荧光量子效率较异嗯唑1 3 d 一半乳糖苷高1 0 0 0 倍以上) 。 因此，基于多相层流，s c h i l l i n g 等建立了集成化的、连续流动的细菌细胞溶胞、胞 内酶的提取、分离分析系统。 幽1 7 细胞溶胞和胞内组分的分离分析芯片结构示意图 f i g 1 7s t r u c t u r es c h e m a t i co f c e l ll y s i sa n dc o m p o n e n ti ns e p a r a t ea n da n a l y s i sc h i p 3 测定流体黏度 在相同的体积流速下，如果两流体具有不同的黏度，则两相之间的分界线不出现在 通道的中间，由于黏度高的溶液流动慢，它在通道中占据的比例大，因此可采用下式来 计算未知液的黏度【站】： 丘：丝 f 1 - 4 ) v 8”b 式中n 、分别表示流体a 和b 占据通道的体积分数：m 、朋分别表示流体a 和 占的黏度。体积分数可测出，如果其中一种流体的黏度己知就可测出另一种流体的黏度。 4 测定反应速率常数、平衡常数 y a g e r 3 4 1 等基于多相层流扩散系统研究了人血清白蛋白( h s a ) 与白蛋白蓝5 8 0 ( a b 5 8 0 ) 反应的平衡常数、h a s 的结合点数及正、逆反应的速率常数。 1 3 4 多相层流扩散分离芯片的应用特点 1 利用多相层流和物质问扩散速度的差异，实现小分子、离子与大分子、微粒的分 一1 0 - 东北大学硕士论文 第一章概述 离，因此对于混浊液和深色溶液，如m 液，可不必进行离心、过滤等预分离而直接进行 免学糗测。 2 检测反应可在扩散的界面进行，不影响试样溶液主要部分的化学组成和平衡。 3 。扩教赛瑟主哥产生关予滚速，试襻嚣凄、试榉浓度、染攀 扩敬、分攒耪扩教罄 信息，据此可测定试样中待测组分的浓度、流体黏度等。 4 。霉逶过謇参跑，震己麴浓度黪待测躲豹参院液与试糕渡平嚣缝在震一逶遥串滚 过，实行实时势比。因此可消除由于流体几何形状、温度、检测器光源等的变化而引起 鹁误差。 5 层流扩敞主通道既是分离通_ i 尊又是检测通道，在流体流动方向的不同位置测得 黪售号强度可挺供有关反应凄力学戆蕊怠， 6 可采用“接受液一试样一接受液一试样一接受液”的平行分离多流层方式，实 现多翅层渡扩数的多邀路劳纷分亵分振，在攀一通邋中检测嚣个或嚣令以上戆不同试 样。 l 。4 液捆扩散系数测定方法的迓期研究进展 波相扩散系数是研究传质过程、计算传放速率及化工设计与开发的重要基础数据， - 已广泛应甬予缴仡及环傈等新兴行韭中。研究和积累各类体系的扩散系数一藏被视为琵 重要的应用基础研究。然而由于液体结构十分复杂，分子堆积密度较大，分子间平均距离 远浇气体分子套，又不及国体霁样有瓣刚藉 罗| j ，分子憨处在较强辐互作甭酌藏霭雨，所 以液相扩散系数的测量和理论描述远比气体及固体困雉，试验数据相当缺乏，有待于进一 步的测定和磅究。 液相扩散系数的测量方法以f i c k 篇一定律和第二定律为蒸础，液棚扩散系数的测缀 方法可分隽戮下凡类： 1 4 。l 似稳态测量法 似稳态法计算较简单，一般对设备鼹求比较低符合这种要求的测定方法主要是膜池 法。 膜池法是在微孔胺的两边，装入不同浓度的溶液，分子通过膜内的徽孔进行扩散，扩散 一定时阕后淑定膜两边溶液浓度的变化，然后计算出扩激系数。这静方法硬究的较早，健 存在一蝗缺点：( 1 ) 膜内微孔较大，会产生主体流动；( 2 ) 膜两边的表面上，有一层极薄的 滞流层，阻碍池内液体分子通过膜的扩教，改变了膜的鸯效膜后，延长了扩教时阕；若测电 解质溶液的扩散系数，浓度小于o 0 5 m o l l 时，膜孔内爨与电解质溶液之间的双电层内电 子发生迂移，使测褥蛇扩散系数偏离。为消除膜袭露的滞流层，s t o k e s 3 5 1 在实验中采用玻璃 烧结膜和磁力搅拌装鬣。探讨了踅力引起的主体流动对扩散的影响，提出应将密度大的溶 液至于下室。h i l d e r b r a n d f 3 6 】采髑一种棚互平行并垂直地镶嵌在聚乙烯投中的组不锈镪 东北大学硕士论文第一章概述 毛细管构成的膜，根据毛细管的规格可直接计算池常数。比较而言，可认为是s t o k e s 装置 是较成功的一种，但它仍存在一些不足，表现在：( 1 ) 不适于测量挥发性液体；( 2 ) 未考虑 混合时的体积改变1 3 7 】：( 3 ) 扩散时间太长。为了克服前两种缺点，f e l l 38 】等设计了三室膜 池法：杨晓宁【3 9 】等对膜池法进行改进，采用较大面积的扩散池，并测定了2 0 m p a 高压下的 扩散系数：张建侯【4 0 】和袁继堂【4 1 等均以金属膜代替玻璃烧结膜，测定了二元有机物系液相 扩散系数。另外，刘耘畦【4 2 l 用金属膜池法还测定了一些药物扩散系数。但膜池法存在一 个较大缺点，即测定时间长。尽管如此，由于它应用的范围越来越广，而且测定结果较好， 所以仍不失为是一种较准确的方法。 1 4 2 非稳态测量 符合这种要求的方法主要是毛细管法。毛细管法适用于测量微量放射性同位素的示 踪扩散系数。w a n g 43 】多次用它测量放射性碘的自扩散系数，以及用放射性或非放射性元 素示踪的化合物的自扩散系数，并取得了较好的实验结果。但由于其费时及分析困难等原 因，不能和膜池法及光学法竞争而渐渐不受青睐。 1 4 3 光干涉法 光干涉法干涉原理可解释为：在扩散过程中，扩散池中溶液浓度的变化导致池中不同 位置溶液的折射率不同。当入射光线射入时，将产生干涉条纹，通过测量干涉条纹的特征 尺寸来计算溶液的扩散系数。其优点为快速准确角b 够直接测定扩散系数的绝对值。随着 全息技术的发展，近年来产生了一种很有前途的新方法全息干涉法。最早关于全息 干涉应用于测量液相扩散系数的理论推导见文献【4 4 】。全息干涉法是将全息摄影技术应用 在经典干涉中，通过在全息干板上记录两个不同时刻的干涉条纹，然后进行叠加，产生一组 新的条纹，再对其处理，结合f i c k 第一和第二定律或条纹的判读、可测得液相扩散系数。 全息干涉法根据曝光次数可分为实时全息干涉法( 单次曝光法) 和两次曝光法。实时 全息干涉法就是使全息图在t l 时刻曝光，然后精确复位，此全息图将同t 2 、t 3 时刻的全息 图发生干涉，这些干涉图共同拥有第一次t l 时刻的曝光；两次曝光法，是在t l 时刻拍下全息 图后，不进行立即处理，而是过一段时间等液体内部组成发生变化后再进行第二次曝光，然 后对干板进行处理，这样全息干板记录下两个时刻的全息图，当用和记录时参考光束入射 方向相同的光照射此两次曝光得到的全息图时将得到干涉条纹。近年来，随着激光全息技 术的发展，人们对传递界面现象的研究也在逐渐深入，研究者们从不同角度对其进行研 究。有些文章从光学方面寻找简单准确的实验方法和数学处理 4 5 - 4 7 5 ；有些文章从扩散机理 来讨论溶液的扩散过程，研究浓度和浓度差等一些相关的影响因素对扩散系数测量的影 响【4 8 5 0 】。另外，不同的体系测量也使研究者们拓宽了研究范围，使其测量数据越来越完善， 所有这些研究领域都说明了全息干涉法的应用越来越广泛，而且所测定的数据准确，为进 一步测定其它体系奠定了基础。相信会有更多的扩散系数测定数据应运而生。 一1 2 塞些盎鲎堡查熊墨 1 4 。4 放射懂同位素法 第一章概迭 赦隽孛毪黼经素法跫静戳物痿熬菠放射链示踩豹之闻豹稽麓扩散系数代替童扩散 系数的方法，广泛应用予自扩激系数的测量。首先是w a l k e r 予t 9 5 0 年试探用接收扩散过 程孛辩谴素发爨豹粒予靛方法塞溅扩散溶渡豹浓度撵度，雾爨瓣扩漱系鼗傻谖差蘧强 在4 以内。 1 4 5t a y t o r 矜散法 t a y l o r 分敬法是将一移滚蒺或浓溶滚) 注入弱黛滞滚滚麓熬漆粼蕺臻滚滚) 孛去，然 焉测鬣流动相中溶质浓度分湔，进而计辫相互扩散系数。它肖许多不足之处，蒙求管长若 千米，实际上袋船工成螺旋形，遮必然会导致误差。n u g e l l 5 u 推嚣了螺旋形管譬数的误差， 舞了测定溅劫鞠孛浓攫薅黩麓戆分鑫，纛健溶滚滚爱徽容检溺室。在羧溅室中，溶矮遗一 步分散也会给扩散系数带来误蒺。 1 4 6 核磁共振法 援疆共擞法誉m 釉渊其窍撬予我、灞逶瓷、遗予离瀣嵩送下溅囊等霞纛，艇其遥震 于一定的物戚。光散射法适用于测馘高分子溶液的扩散系数，对于般二元肖机溶液， 离浓度鳃测爨糖度大予繇浓度爨鼋测量。 浚稠扩数举数戆测定方法较多，箕串，巍予涉法耱凄最裹，毽越设蚕及搽终蘸求羧严 捺。t a y l o r 分数法夔蠛爨跫爨终楚攀，森酱逶安验室帮霹实现。霄较麓耩褒， l 霉藏溺定燕 期短，适于大批嫩数据的测定。但综合比较，全息干涉漱操作简便，可实现实时测激，是最有 发震蓠途翡耱方法。 1 4 7 徽通道化学显色法 纯学爱巍爨色法翡藩璨主霾参考分始瘫菠分耩法。秘耀鬣徽镜秘数码穗飘联蕊察徽 通道内飚穆不嘲溶液发生饯学爱应忘龄现象，逶过计算能褥出扩散系数。 高燹敏液化学爱赢蹩测瘸先、电、磁、热、声筹备耱蓿弩对物质进行定经或定量铡 疑是仪器分析研究的主要内容物质对搬的吸收作用搬分极化学中的陂用已菇近百年蛇 历史，疆褫魄毡法当璃澎发分援豹雏形。套税试裁瓣萼l 入、多元络合糖鲍出现熬及表疆 添缝裁貔敷髑，投大建程避了该镶壤鹣发聂。爱瘟体系戆麓薪，激掩菇缝溺豹灵鹱发秘 选择性。在吸收定律a = s b c 式中，摩尔吸光系数怒衡量灵敏成的重要标志，8 值越大， 瑟敏凄蘧毫。霪翦努羲工薅餐的注意力大多集中在麓灵敏反瘦髂系嚣探索数及癍惩鼗譬 方法对多组分黧叠蜂的解析，这势必拉渤新曼色裁的徐成及对多元体系的研巍。因此， 分析仡学必须傣助相通学科瀚成果来武装自己，才能邋出化学分孝厅韵f j 槛，踏上分析科 攀之踺。 1 3 - 东北大学硕士论文 第一章概述 表3 1 液相扩散系数测定方法的优缺点比较 1 1 a b i e 3 1c o m p a r i s o no f a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f d e t e r m i n a t i o nm o t h o df o rl i q u i d 。p h a s ed i f f u s i o n c o e 币c i e n t 测定方法 优点 缺点 1 5 扩散活化能的研究 扩散活化能的大小反映了扩散系数随温度的变化程度。活化能较大的反应，温度对 扩散系数影响较显著，升高温度能够显著地加快扩散速度，活化能较小的反应则反之。 一般化学反应的活化能较小的反应则反之。扩散活化能是扩散反应的重要特性。杨家振 等5 4 1 利用阿仑尼乌斯公式计算了在室温等离子液体中f e 3 + 在不同浓度下的扩散活化 能。赵鹏等【5 5 】用计时电量法求n i c l 2 ( b p y ) 3 在d m f 中的扩散系数进而求得扩散活化能。 1 4 东北大学硕士论文 第二章实验方法 第二章实验方法 2 1 实验目的 1 实现重力控制下在微通道中的液体流动； 2 利用层流扩散和比色法测定扩散系数； 3 根据液体在微通道中的流动情况，确定显著的扩散效应是微观系统区别于宏观系统 的特殊性之一； 4 在2 9 3 3 5 3 k 温度范围内，测定了不同浓度，不同温度下离子的扩散系数d ，进而 求得不同浓度下的扩散活化能疡。 2 2 实验装置图 实验装置如图2 1 所示： 图2 1 实验装置图 f i g2 1e x p e r i m e n t a lf i x 2 3 实验原理 两种能快速反应且有明显颜色变化的溶液，在重力的驱动下，以层流状态通过微型 管道，在微型管道中可以清楚的观察到颜色从粗到细或从细到粗的变化过程。 2 4 仪器和试剂 2 4 1 仪器 o l y m p u sc 5 0 6 0c c d 数码相机：奥林巴斯有限公司； o l y m p u ss z 5 1 型显微镜：奥林巴斯有限公司： 15 东北大学硕士论文 第二章实验方法 电子天平：北京塞多利斯天平有限公司； p h o t o s h o p 软件( 测量精度为0 0 1 c m ) ； 细玻璃管( 两个) 、输液器( 两个) 、输液瓶( 两个) 、铁架台、烧杯、滤纸 玻璃芯片：东北大学分析科学中心； 电子温度调节仪：沈阳银河仪器仪表有限公司； 铂电阻( 一个) ：沈阳银河仪器仪表有限公司； 加热铝块：东北大学先进材料实验室； 内热式电烙铁芯：上海电热器材公司； 3 吨型透明环氧胶f 0 5 ：新加坡安特固化学私人有限公司。 2 4 2 试剂 试剂如表3 2 所示： 表2 1 试剂一览表 试剂名称产地品级 2 5 实