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微流控芯片检测器 微流控芯片检测器的作用是将测定被分析样品经微流控芯片系统分离或处理后有关组成的组成及含量 是分析系统中必不可少的部分 检测器的总体性能将影响整个微流控分析系统的检出限 检测速度 适用范围 体积等指标 是微流控分析系统的关键部位之一 1 检测器的性能要求 更高的灵敏度和信噪比更快的响应速度微型化多重平行检测功能成本低 2 微流控芯片检测器分类 2 1 荧光检测器 2 1 1激光诱导荧光检测器 Laserinducedfluorescence LIF 2 1 2半导体发光二极管 light emittingdiode LED 荧光检测器 LIF检测器是应用最早 最多的光学检测器 也是目前唯一被商品化的检测器 多应用于毛细管电泳芯片中 特点 检测限低 一般可达10 9mol L 10 12mol L 最高可达单分子检测 选择性好 线性范围宽 不足 通用性差 体积较大 结构较复杂 成本高 2 1 1激光诱导荧光检测器 Laserinducedfluorescence LIF 2 1 1激光诱导荧光检测器 激发光源单色激光激光器氩离子激光器半导体激光器 2 1 1激光诱导荧光检测器 检测元件 光电倍增管 PMT 单光子雪崩型光电二级管 SPAD 电荷耦合器件CCD 非共聚焦型LIF检测器基本光路结构示意图 AnalyticalChemistry Vol 68 No 5 March1 1996 正交型LIF检测系统 共聚焦型LIF检测器基本光路结构示意图 LED是一种可发射准单色光 体积小 寿命长和价廉的发光器件 虽然在发光强度 光谱纯度 聚光性等方面不及半导体二极管激光器 灵敏度也有所下降 但可以简化检测器的结构 大大降低成本 2 1 2半导体发光二极管 LED 荧光检测器 2 1 2 1集成化的LED荧光检测器 2 1 2 1集成化的LED荧光检测器 Science1998 282 484 490 集成化的DNA分析芯片 2 1 2 1集成化的LED荧光检测器 集成化的DNA分析芯片 Science1998 282 484 490 2 1 2 2液芯波导的LED荧光检测器 AnalyticalChemistry Vol 73 No 18 September15 2001 液芯波导通道微芯片结构和LED荧光诱导检测示意图 2 1 3集成一次性微流控芯片的便携式荧光检测系统 CHENXingetal NanotechnologyandPrecisioEngineering 2009 7 2 127 131 特点 可测定的物质种类多 结构简单 不足 相对灵敏度低 2 2吸收光度检测器 当前微流控芯片紫外吸收光度检测存在的主要问题是检测灵敏度较低 难以满足以低浓度生化样品为主要对象的检测要求 解决的办法除了优化检测器光路结构外 更多的应该从微流控芯片本身来考虑 芯片材质必须选用石英等紫外吸收小的材料 还应鼓励通过增加光程或集成样品预浓缩单元如等速电泳 样品堆积等来提高检测的灵敏度 普通光程吸收光度检测芯片常用的玻璃 塑料等芯片材料对紫外线都有较大吸收 不适宜用于紫外检测 石英或PDMS等紫外吸收小的芯片材料是较为合适的选择 紫外吸收光度检测器 固定波长可变变长多波长快速扫描 2 2 1短光程吸收检测池吸收光度检测器 检测偶氮砷 U 金属配合物 检出限达23ug L 2 2 1短光程吸收检测池吸收光度检测器 2 2 2长光程吸收光度检测 2 2 2长光程吸收光度检测 增加芯片吸收光程能将检测灵敏度提高l 2个数量级 然而过度增加光程使峰展宽 柱效降低 选择通过增加光程长度来提高灵敏度 要考虑其对柱效的影响 最终找到一个既能提高灵敏度而又不会显著降低柱效的合适光程 2 3化学发光检测器 原理 基态的分子吸收化学反应中释放的能量 跃迁至激发态 处于激发态的分子以光辐射的形式返回基态 从而产生发光现象 特点 无需激发光源 检测器结构简单 灵敏度高 发光试剂的选择性较差 经电泳分离后再检测可以克服此缺点 2 3 1普通化学发光 2 3 1普通化学发光 电致化学发光是化学发光与电化学检测的结合特点 装置简单 灵敏度高 可控制反应程度等 2 3 2电致化学发光检测器 脯氨酸的LOD为1 2 mol L 线性范围5 600 mol L 作为微型全分析系统的集成化检测方式 电化学检测器具有独特的优势 通过MEMS技术在芯片上制作微电极并不困难 比加工微光学器件容易得多 与光学检测法不同 电化学传感的灵敏度并不会因为通道几何尺寸的微型化而降低 电化学检测器的信号处理系统等外围设备比较简单 易微型化 因此 电化学检测器灵敏度高 选择性好 体积小 装置简单 成本低 可以与微加工技术兼容 具有微型化和集成化的前景 是目前被普遍认为最有可能实现微流控芯片实验室概念的检测方式之一 2 4电化学检测器 2 4 1安培检测器 2 4 1安培检测器 安培检测法具有操作简便 背景噪声电流小等优点 1998年由Woolley等首次在芯片电泳上实现 现已发展成为微流控芯片中应用最多的一种电化学检测方式 安培法不是通用型检测方法 它要求被检测物质具有电化学活性 如果没有则应通过衍生反应产生具有电化学活性的基团或者在溶液中加入具有电化学活性的物质以实现对被测物如DNA 蛋白质和氨基酸的间接检测 安培检测法的类型芯片分离通道中的电流一般在几到几十个微安 而安培检测的工作电极上产生的电流一般在纳安级甚至更小 所以在安培检测法中如何减小甚至隔离分离电压对检测的影响是一个至关重要的问题 根据隔离分离电压的方式 安培检测器可分为离柱式 off colunmn 和端柱式 end column 2 4 1安培检测器 工作电极的材料碳电极金属电极化学修饰电极 FourconfigurationsforaligningtheworkingelectrodeinamperometricdetectionthatfacilitateisolationoftheECdetectorfromtheseparationvoltage SusanM Lunte etal Electrophoresis2004 25 3528 3549 2 4 1安培检测器 阵列工作电极 芯片毛细管电泳 阵列工作电极安培检测系统 2 4 2电导检测器 根据组分带电组分对溶液电导率的贡献而进行检测的 是一种通用型的检测器 尤其适用于检测无机离子 氨基酸等小分子离子的检测 易于微型化和集成化 2 4 2电导检测器 接触式电导检测器非接触式电导检测器 接触式电导检测器 电导检测芯片结构及电导电极示意图 接触式电导检测器由于工作电极和通道里的溶液直接接触 可能会有以下问题 检测系统难以与电泳分离电压有效隔离 由于共地产生漏电干扰 使基线噪声大 反应产生的气泡或电极表面的污染均会影响检测通道流体中的某些成分会吸附在传感电极表面 改变电极的性质 非接触式电导检测器 2 4 3电位检测法 2 4 3电位检测法 电位检测示意图 复合式电化学检测法 复合式电化学检测法是将多种电化学检测方式联用使用可以充分发挥每种检测方式的优点 相互补充 实现更多被分析物的同时分离和检测 因而也得到了广泛的关注 Wang和Pumera发展了一种新型的可以实现非接触电导和安培法同时检测系统 CEmicrochipsystemwithadualamperometric conductivitydetectionsystem a glassmicrochip b runbufferreservoir c samplereservoir d unusedreservoir e aluminumelectrodesforcontactlessconductivitydetection f channeloutlet g thick filmworkingelectrodeforamperometricdetection ErkangWang etal Electrophoresis2005 26 687 693 双通道检测器是指将两种检测器同时集成在芯片上 以实现对管道内信号变化的同时检测 双通道检测可获得更多分析物质的信息 更能真正体现微全分析的概念 近年来 在玻璃电泳芯片上集电导和荧光双通道检测器 实现了对无机离子 荧光素和氨基酸等物质的同时在线检测 其将接触式电导 CCD 检测器与LED检测器同集一芯片上时检测带具有光学活性和非具有光学活性的物质 拓宽了检测对象的范围 Fig 1 Aschemeofthedualdetector A Boxforcircuitboard B bottomboard C contactlesselectrodeplate D thinmicrochip 1 LED 2 3 theelectrodesofcontactlessconductivitydetection 4 pinhole 5 6 wiresconnectingtheelectrodesofcontactlessconductivitydetectionwiththecircuitboard 7 cutoff lter 8 photodiode 9 10 cablesconnectingthephotodiodewiththecircuitboard Zuan guangChen etal analyticachimicaacta621 2008 171 177 集成电导检测器应用于实际样品是其发展的必然趋势 而如何有效排除实际样品中的干扰组分对检测的影响是电导检测在实际样品应用中的关键所在 实现高通量是微流控芯片研究中提高分析效率的重要研究目标之一 因此 多通道阵列式检测器的研究也成为了热点 而电导检测器易于微型化的优势特别适于与高通量芯片集成 微流控芯片集成电导检测器具有操作方便 使用寿命长等特点 尤其适合离子化合物的分离分析 其加工工艺与MEMS技术兼容 使其在微流控的集成化 微型化方面显示出强大的发展潜力 检测电极在微流控芯片上可采用不同的布置方式 并结合芯片微管道网络本身灵活多样的特点 设计出多种多样具有各自特点与功能的微流控芯片集成电导检测器 其可应用于生化样品和实际样品的检测 显示出芯片集成电导检测器具有巨大的潜在商业价值 2 5质谱检测器 质谱 MS 技术能够提供试样组分中分子的结构和定量信息 电喷雾离子化 ESI 和基质辅助激光解析离子化 MALDI 技术使其在特定的条件下电离时依然可以保持生物大分子的非共价相互作用 使得质谱在蛋白质和多肽的研究中必不可少 MS检测的高效率 高灵敏度和高通量迎合了芯片微小样品量及微流控系统的目标 两者联用可满足基因组学与蛋白质组学等生物分析的需要 2 5质谱检测器 芯片与ESI MS接口芯片与MAIDL MS接口 2 5 1芯片与ESI MS接口 初期 出口直接喷雾型 发展改进 外接喷雾毛细管型 新型的集成一体化模式 外接毛细管的引入虽然简化了接口装置 却也带来了一定的死体积 这种死体积的存在在一定程度上稀释了待测物 延长了组分的迁移时间 使质谱分析的分辨率和灵敏度下降 小死体积甚至零死体积接口的研制是这个领域研究的一个热点 其中以Harrison和Thibault实验室的工作较为突出 他们在芯片末端钻一个平面的孔对准通道 将一根毛细管插入孔中用环氧胶固定 使毛细管和通道连接的死体积大大降低 由于传统的鞘流液辅助的电喷雾接口对样品的稀释作用明显 造成检测灵敏度低 因此一般采用无鞘流液辅助的纳米电喷雾接口 较为普遍方法是将连接在芯片上的毛细管的末端拉细至2 20nm形成 纳米 喷头 或者通过一个套管与制备好的纳米喷头连接 不仅节省一整套辅流或液接部件 还简化了接口的复杂性 但是此结构的接口需要在纳米喷头的末端镀上金属或导电高分子层 或者在纳米喷头中插人电极丝用于施加ESI的电压 不同死体积的芯片 毛细管连接 2 5 1芯片与ESI MS接口 外接喷雾毛细管型 AnalyticalChemistry Vol 71 No 15 August1 1999 微流控芯片通过鞘和雾化器 ESI联用示意图 2 5 1芯片与ESI MS接口 外接喷雾毛细管型 2 5 1芯片与ESI MS 质谱实时检测酯化反应 2 5 2芯片与MALDI MS接口 与ESI MS相比 MALDI MS更适于用作微流控分析系统的检测器 因为它具有下述特点 对样品组成要求低 能耐高浓度盐和非挥发性缓冲剂 包括芯片电泳体系中常用的硫酸盐 磷酸盐 硼酸盐等 灵敏度高 样品量只需1pmol甚至更低 谱图中单电荷 双电荷的分子离子峰很强 便于峰信号重组和解析 由于MALDI离子化过程中通常要求样品与基质共结晶 要实现微流控芯片微液中流体系与MALDI离子源的直接联用仍行在很大的困难 就目前的发展来看 微流控芯片与MALDI MS的联用仍处于起步阶段 芯片上的微型化质谱四极杆质谱仪的微型化 飞行时间质谱仪的微型化 离子阱质谱仪的微型化 四极杆质谱仪的微型化 2 6 1激光热透镜检测器激光热透镜检测 thermallensmicroscopy 是一种适合在微尺度下进行检测的光学检测方法 原理 用一束较大功率的激光束照射光吸收检测区域 使检测池中的试样溶液因吸收能量而升温 光束中心处的溶液温度最高 外围溶液温度较低 而产生温度梯度分布 大多数溶液的折射率随温度升高而降低 由此导致溶液的折射率从光斑中心到外围产生有小到大的梯度变化 并达到稳定状态 形成类似于光学透镜的液体热透镜 溶液折射率的变化程度与激光的照射强度 溶液的浓度等性质有关 用另一束功率较小的探测激光束的反射来测定溶液折射率的改变即可测定溶液浓度 2 6其他检测 2 6 1激光热透镜检测器 激光热透镜检测器机构示意图 优点 其检测灵敏度很高 可接近荧光检测方法的水平 不足 但装置较为精密和复杂 很难微型化 由此其应用尚不广泛 2 6 2折光率检测器 折光率检测方法是一种具有良好通用性的光学检测方法 可以用于被测物质不易衍生化或不适合进行吸收光度检测的场合 但由于其检测的灵敏度比吸收光度法更低 因此在微流控分析中较少应用 2 6 2折光率检测器 2 6 3分子发射光谱检测器 离子体发射光谱检测芯片结构示意图 发射光谱检测装置示意图 1 气体进口2 气体出口3 压力传感器接口4 电极5 等离子腔6 电极连接端7 进口通道8 出口通道 2 6 4原子发射光谱检测器 对钠离子的检测为1ug L 核磁共振检测器 NMR 可以提供化合物的许多结构信息 已成为有机和生物化学分子结构分析的一种