环境监测新技术导论课件

中国科技大学7-环境监测新技术导论2022/10/29中国科技大学7环境监测新技术导论中国科技大学7-环境监测新技术导论2022/10/22中国科1

微流控分析芯片的提出与发展主要来自于环境及材料科学发展中对更多、更准、更快的获取物质成分信息的需要。这种芯片就是采用微细加工技术，将微通道、微阀、微泵、微储液器、微电极、微检测器、窗口和连接器等功能元件集成在芯片上而构成的微型全分析系统（μ-TAS）。

μ-TAS的目标是把整个化验室的功能包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成到微芯片上，因此，有芯片实验室的叫法，最终实现分析实验室的“个人化”、“家用化”。中国科技大学7环境监测新技术导论微流控分析芯片的提出与发展主要来自于环境2§1微流控分析芯片的结构与制作

一、微流控芯片的结构特点1.是一种以微通道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测器连接在一起而组成的集

成系统。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.面积约为几个cm2.3.微管道宽度与深度为µm级。4.所用材料除硅片、石英、玻璃外，还可是

中国科技大学7环境监测新技术导论§1微流控分析芯片的结构与制作中国科技大学7环境监测新3

有机化合物如环氧树脂等。加工技术除微机电加工外，还有模塑法、热压法、激光烧蚀法等。

二、芯片的制作方法

1.光刻和蚀刻中国科技大学7环境监测新技术导论有机化合物如环氧树脂等。加工技术除微机电加工中国科技大学4

光刻和蚀刻技术由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成，可表示如下:基片基片基片薄膜光胶层光刻蚀刻薄膜作为牺牲层保护基片表面，对于玻璃牺牲层用Cr,而硅片则用SiO2。中国科技大学7环境监测新技术导论光刻和蚀刻技术由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成5

2.芯片钻孔

在通道的端头打一小孔，以便流体通过小孔进入通道网络。中国科技大学7环境监测新技术导论中国科技大学7环境监测新技术导论6

3.键合：

键合方法：热键合、阳极键合、粘合、低温键合等。

热键合：硅片与硅片之间的热键合称为硅熔键合。将硅片放在硫酸溶液中清洗干净，再用盐酸除去表面的有机物和金属污染物。然后将硅片浸泡在约

100℃的氢氧化铵溶液中，使表面通过水化反应增加OH基，通过范德华力的作用可使处理后的硅片紧密的贴合在一起。将贴合在一起的硅片放在高温炉中加热到800～1000℃退火，界面上发生如下反应。中国科技大学7环境监测新技术导论3.键合：中国科技大学7环境监测新技术导论7

Si–O–H····H–O–SiSi–O–Si+H2O

这样，两块硅片就可牢固的贴合在一块了。硅片表面的洁净度是能否成功键合的关键。中国科技大学7环境监测新技术导论Si–O–H····H–O–SiSi–O–S8

§2、微流控分析系统中微流体的驱动与控制

一、微流体驱动系统

驱动系统主要由机械微泵或非机械微泵组成，目前在微分析系统中，以往复式机械微泵最为常见，结构如下：中国科技大学7环境监测新技术导论中国科技大学7环境监测新技术导论9单向阀单向阀泵腔致动器泵膜液体流入液体流出驱动系统示意图中国科技大学7环境监测新技术导论单向阀单向阀泵腔致动器泵膜液体流入液体流出驱动系统示意图10

致动器的功能：提供驱动液流的动力。

泵膜：泵膜可往复运动，是一种可活动的机械部件。

单向阀：保证微泵驱动液流操作的连续性和定向性。致动器产生的动力作用于泵膜，使其发生形变或位移，以驱动泵膜内的液体。致动力的循环往复变化引气泵膜的往复运动，配合两单向阀的限流作用，形成单向连续流动的液流。中国科技大学7环境监测新技术导论致动器的功能：提供驱动液流的动力。中国科技大学7环境监11

对驱动系统的要求：1.体积应尽可能小，易与芯片上其他系统实现集成化。2.流速:流速范围大，流速的重现性好，流速的脉动性小。3.泵压：对不同系统有不同的要求，如在芯片毛细管电泳分离系统中，泵压需在3～10MPa之间，流速在50nL/min～50µL/min范围。中国科技大学7环境监测新技术导论对驱动系统的要求：中国科技大学7环境监测新技术导论12二、微流体的进样与混合系统

1.进样系统：

将一段试样以塞流形式注射到分离分析通道。

进样方法：基于时间和基于体积的进样方法。

进样过程：充样和注样中国科技大学7环境监测新技术导论二、微流体的进样与混合系统中国科技大学7环境监测新技术导论13

基于时间的进样方法

a).“T”形通道进样法：

BSDBDS充样注样缓冲溶液试样分离分析通道BSD中国科技大学7环境监测新技术导论基于时间的进样方法BSDBDS充样注样缓冲溶液试样分离分14

以电动注样的方式向分析通道注入一定体积的试样，试样体积由注样电压（流速）和注样时间来确定。

优点：流路设计和操作简单，注样体积灵活可调，可引入比较大量的试样，但换样不方便。中国科技大学7环境监测新技术导论以电动注样的方式向分析通道注入一定体积的15（2）门式进样法BWSSBWDDBSDW充样注样换样中国科技大学7环境监测新技术导论（2）门式进样法BWSSBWDDBSDW充样注样换样16

这种进样方法是在充样阶段，采用分流的方法分出一部分试样液流进入分离分析通道，通过控制充样电压和时间可以控制进样量。门式进样法在注样-分离分析阶段，试样通道和分析通道内液流可同时保持连续流动的状态，其优点是便于换样和操作。可在分离分析的同时进行换样操作。

中国科技大学7环境监测新技术导论这种进样方法是在充样阶段，采用分流的方法中国17

2.

微流体的混合系统：分流型混合器夹层结构（玻璃/硅/玻璃）A、B溶液玻璃硅片玻璃中国科技大学7环境监测新技术导论2.微流体的混合系统：A、B溶液玻璃硅片玻璃中国科技18

AB分流型混合器中国科技大学7环境监测新技术导论AB分流型混合器中国科技大学7环境监测新技术导论19

该方法的基本原理是：因扩散时间与扩散距离

的平方成正比，通过将液流分成多个薄层液流，可缩短液流间的扩散距离，显著降低混合时间。理论上，将液流分为n个分支薄层液流，将使混合时间加快n2倍。本系统的优点是：混合器死体积小，内部通道仅有600nl,混合效率高，速度快，可在微小体积内以毫秒级的时间完成混合（在15ms内达到95%的混合）。两液流流速和流速比范围比较广，分别为1～200µL/min。中国科技大学7环境监测新技术导论该方法的基本原理是：因扩散时间与扩散距离中20激光器滤光片1芯片显微物镜二向色镜目镜光阑滤光片2光电倍增管共聚焦型激光诱导荧光检测器示意图§3微流控分析系统的检测器激光器一、激光诱导荧光检测器中国科技大学7环境监测新技术导论激光器滤光片1芯片显微物镜二向色镜目镜光阑滤光片2光电倍增管21分析仪电化学电化学检测器示意图高压电源wwcR二、电化学监测器中国科技大学7环境监测新技术导论电化学检测器示意图高压电源wwcR二、电化学监测器中国科技大22§4.微流控分析芯片的应用技术与特点

一、芯片毛细管电色谱技术逶迤形开口电色谱分离芯片结构：WRLPRSWRSRSR--样品池SWR–样品废液池LPR–流动相池WR–废液池检测器面积：8X8mm分离通道长：171mm有效分离通长：165mm中国科技大学7环境监测新技术导论§4.微流控分析芯片的应用技术与特点WRLPRSWRS23

采用键合、吸附、交换等方法，将固定相结合在柱内壁制备开口管芯片毛细管电色谱，在pH8的条件下可稳定数周。利用这种毛细管芯片电色谱技术在20分钟内分离了C440、C450、C460、C480四种香斗精，效果良好。中国科技大学7环境监测新技术导论采用键合、吸附、交换等方法，将固定相结合24二、芯片毛细管电泳技术：

高压电源2134LIFDD---检测器LIF---激光诱导荧光下图为芯片毛细管电泳的基本结构。工作时，先在进样通道1，2施加电压，在电渗流的作用下，试样从1经十字交叉口流向2，然后将电压切换到3，4。储存在交叉口处的一段试样溶液在电渗流的推动下进入分离通道进行分离。中国科技大学7环境监测新技术导论二、芯片毛细管电泳技术：高压电源2134LIFDD---检25三、芯片的多相层流无膜扩散分离：SB在微米级的通道中，低流速的液流完全呈层流状态。分离原理：粒子的扩散速度不同

H型–过滤芯片分子通过L距离所需要的扩散时间为：t3∏NηdpL2RT中国科技大学7环境监测新技术导论三、芯片的多相层流无膜扩散分离：SB在微米级的通道中，低流速26

T型-过滤芯片T型-过滤芯片BSBBS夹心型–过滤芯片中国科技大学7环境监测新技术导论T型-过滤芯片T型-27

四、芯片中的液-液萃取分离：试样萃取剂1.萃取原理：基于物质在互不相溶的两相间分配比的不同。在微流控液液萃取系统中，通过两种互不相溶的溶剂流动相流量的调节，可以在微通道中形成超薄的有机膜，在分离的选择性、速度、富集倍率等方面较单纯的多相层流无膜扩散分离有较明显的优势。中国科技大学7环境监测新技术导论四、芯片中的液-液萃取分离：试样萃取剂1.萃取原理28

2.微流控液液萃取的特点及影响因素：优点：

a）保持两相连续接触，无需通过机械震荡进行混合。b）短距离扩散缩短了平衡时间。c）具有大的比表面。d）试剂用量少（100nl）e）萃取率高。f）萃取的同时可直接检测。g）在同一芯片中可集成萃取、反萃取多个化学操作单元。

中国科技大学7环境监测新技术导论2.微流控液液萃取的特点及影响因素：中国29

影响因素：流速、比表面大小、扩散距离、反应速度。中国科技大学7环境监测新技术导论影响因素：中国科技大学7环境监测新技术导论30五、微流控分析芯片的特点：

优点：

1.具有极高的效率：

许多微流控芯片可在数秒～数十秒时间内自动完成分离测定或其他复杂的操作，分离分析速度常高于相应的宏观分析法1～2个数量级。这种快速的过程是因为在微米级的通道中具有很高的导热性和很快的传质速率以及结构尺寸的减小。

中国科技大学7环境监测新技术导论五、微流控分析芯片的特点：中国科技大学7环境监测新技术导论312.试样与试剂消耗甚微（数微升水平）3.易制成功能齐全的便携式仪器用于各类现场分析监测。4.耗材少，有利于普及。

局限性：目前情况而言，体积大，功能不全，制作成本偏高。

中国科技大学7环境监测新技术导论2.试样与试剂消耗甚微（数微升水平）中国科技32§5微流控芯片在环境监测中的应用近年来，微流控分析芯片技术在环境监测分析方面已表现出强劲的发展势头，越来越多的用于环境实际样品的分离分析工作。环境样品的来源主要是水源、大气和土壤三个方面，由于大多数环境样品中的待测组分含量极低，且基底十分复杂，干扰组分多，同种元素以多种形式存在，易受环境影响而变化等特点，所以，在分离测定前都需要对样品进行预富集处理。中国科技大学7环境监测新技术导论§5微流控芯片在环境监测中的应用中国科技大学7环境监测新技33

1.水样中污染物的分离测定

PetrPraus利用毛细管等速电泳和毛细管区带电泳完成了饮用水中亚氯酸盐的检测．用电导检测法检出限达到了0.012mg／L~0.017mg／L．曾小岚采用高效毛细管电泳法对环境水样中溶解态的钙、镁、钠等金属离子进行分离检测，4.5min内钙、镁、钠3种金属离子完全分离，而且试样预处理简单，重现性良好，回收率为94.8～105.8．毛细管几乎可以分离除挥发性或难溶物之外的各种分子．

中国科技大学7环境监测新技术导论1.水样中污染物的分离测定中国科技34

再如以热透镜为检测器测定水样中的

Co2+、Fe2+、K+等。光度法测定水中的NH3、NH4＋、NO3-等化学发光法测定Cr3+,检测限可达10-7mol/L

ˉ-中国科技大学7环境监测新技术导论再如以热透镜为检测器测定水样中的ˉ-中352.气体污染物的测定：

在芯片上加工一个多种气体选择性处理单元（内容积640微升左右）、两个SnO2气体传感器检测单元（内容积270微升左右），通过一系列管路和微阀的组合，对微量待测污染气体进行检测。两个SnO2气体传感器中，一个厚膜，一个薄膜。薄膜传感器对O3、NO2敏感（400oC）厚膜传感器对CO、CH4敏感（500oC）中国科技大学7环境监测新技术导论2.气体污染物的测定：中国科技大学7环境监测新技术导论36

因此可对CO、NO、O3、NO2、CH4等污染气体进行检测。

3.微气相色谱分离系统选择性的分离分析挥发性化合物：在1.0～1.5cm2的硅片上刻蚀出40～

100微米寛、30～

40微米深的微通道，内壁覆盖固定相，再键合上一片玻璃，这一系统可在74ppm的二甲苯背景下，有效的中国科技大学7环境监测新技术导论因此可对CO、NO、O3、NO2、CH4等污中37演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain2022/10/29中国科技大学7环境监测新技术导论演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain202238中国科技大学7-环境监测新技术导论2022/10/29中国科技大学7环境监测新技术导论中国科技大学7-环境监测新技术导论2022/10/22中国科39

微流控分析芯片的提出与发展主要来自于环境及材料科学发展中对更多、更准、更快的获取物质成分信息的需要。这种芯片就是采用微细加工技术，将微通道、微阀、微泵、微储液器、微电极、微检测器、窗口和连接器等功能元件集成在芯片上而构成的微型全分析系统（μ-TAS）。

μ-TAS的目标是把整个化验室的功能包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成到微芯片上，因此，有芯片实验室的叫法，最终实现分析实验室的“个人化”、“家用化”。中国科技大学7环境监测新技术导论微流控分析芯片的提出与发展主要来自于环境40§1微流控分析芯片的结构与制作

一、微流控芯片的结构特点1.是一种以微通道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测器连接在一起而组成的集

成系统。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.面积约为几个cm2.3.微管道宽度与深度为µm级。4.所用材料除硅片、石英、玻璃外，还可是

中国科技大学7环境监测新技术导论§1微流控分析芯片的结构与制作中国科技大学7环境监测新41

有机化合物如环氧树脂等。加工技术除微机电加工外，还有模塑法、热压法、激光烧蚀法等。

二、芯片的制作方法

1.光刻和蚀刻中国科技大学7环境监测新技术导论有机化合物如环氧树脂等。加工技术除微机电加工中国科技大学42

光刻和蚀刻技术由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成，可表示如下:基片基片基片薄膜光胶层光刻蚀刻薄膜作为牺牲层保护基片表面，对于玻璃牺牲层用Cr,而硅片则用SiO2。中国科技大学7环境监测新技术导论光刻和蚀刻技术由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成43

2.芯片钻孔

在通道的端头打一小孔，以便流体通过小孔进入通道网络。中国科技大学7环境监测新技术导论中国科技大学7环境监测新技术导论44

3.键合：

键合方法：热键合、阳极键合、粘合、低温键合等。

热键合：硅片与硅片之间的热键合称为硅熔键合。将硅片放在硫酸溶液中清洗干净，再用盐酸除去表面的有机物和金属污染物。然后将硅片浸泡在约

100℃的氢氧化铵溶液中，使表面通过水化反应增加OH基，通过范德华力的作用可使处理后的硅片紧密的贴合在一起。将贴合在一起的硅片放在高温炉中加热到800～1000℃退火，界面上发生如下反应。中国科技大学7环境监测新技术导论3.键合：中国科技大学7环境监测新技术导论45

Si–O–H····H–O–SiSi–O–Si+H2O

这样，两块硅片就可牢固的贴合在一块了。硅片表面的洁净度是能否成功键合的关键。中国科技大学7环境监测新技术导论Si–O–H····H–O–SiSi–O–S46

§2、微流控分析系统中微流体的驱动与控制

一、微流体驱动系统

驱动系统主要由机械微泵或非机械微泵组成，目前在微分析系统中，以往复式机械微泵最为常见，结构如下：中国科技大学7环境监测新技术导论中国科技大学7环境监测新技术导论47单向阀单向阀泵腔致动器泵膜液体流入液体流出驱动系统示意图中国科技大学7环境监测新技术导论单向阀单向阀泵腔致动器泵膜液体流入液体流出驱动系统示意图48

致动器的功能：提供驱动液流的动力。

泵膜：泵膜可往复运动，是一种可活动的机械部件。

单向阀：保证微泵驱动液流操作的连续性和定向性。致动器产生的动力作用于泵膜，使其发生形变或位移，以驱动泵膜内的液体。致动力的循环往复变化引气泵膜的往复运动，配合两单向阀的限流作用，形成单向连续流动的液流。中国科技大学7环境监测新技术导论致动器的功能：提供驱动液流的动力。中国科技大学7环境监49

对驱动系统的要求：1.体积应尽可能小，易与芯片上其他系统实现集成化。2.流速:流速范围大，流速的重现性好，流速的脉动性小。3.泵压：对不同系统有不同的要求，如在芯片毛细管电泳分离系统中，泵压需在3～10MPa之间，流速在50nL/min～50µL/min范围。中国科技大学7环境监测新技术导论对驱动系统的要求：中国科技大学7环境监测新技术导论50二、微流体的进样与混合系统

1.进样系统：

将一段试样以塞流形式注射到分离分析通道。

进样方法：基于时间和基于体积的进样方法。

进样过程：充样和注样中国科技大学7环境监测新技术导论二、微流体的进样与混合系统中国科技大学7环境监测新技术导论51

基于时间的进样方法

a).“T”形通道进样法：

BSDBDS充样注样缓冲溶液试样分离分析通道BSD中国科技大学7环境监测新技术导论基于时间的进样方法BSDBDS充样注样缓冲溶液试样分离分52

以电动注样的方式向分析通道注入一定体积的试样，试样体积由注样电压（流速）和注样时间来确定。

优点：流路设计和操作简单，注样体积灵活可调，可引入比较大量的试样，但换样不方便。中国科技大学7环境监测新技术导论以电动注样的方式向分析通道注入一定体积的53（2）门式进样法BWSSBWDDBSDW充样注样换样中国科技大学7环境监测新技术导论（2）门式进样法BWSSBWDDBSDW充样注样换样54

这种进样方法是在充样阶段，采用分流的方法分出一部分试样液流进入分离分析通道，通过控制充样电压和时间可以控制进样量。门式进样法在注样-分离分析阶段，试样通道和分析通道内液流可同时保持连续流动的状态，其优点是便于换样和操作。可在分离分析的同时进行换样操作。

中国科技大学7环境监测新技术导论这种进样方法是在充样阶段，采用分流的方法中国55

2.

微流体的混合系统：分流型混合器夹层结构（玻璃/硅/玻璃）A、B溶液玻璃硅片玻璃中国科技大学7环境监测新技术导论2.微流体的混合系统：A、B溶液玻璃硅片玻璃中国科技56

AB分流型混合器中国科技大学7环境监测新技术导论AB分流型混合器中国科技大学7环境监测新技术导论57

该方法的基本原理是：因扩散时间与扩散距离

的平方成正比，通过将液流分成多个薄层液流，可缩短液流间的扩散距离，显著降低混合时间。理论上，将液流分为n个分支薄层液流，将使混合时间加快n2倍。本系统的优点是：混合器死体积小，内部通道仅有600nl,混合效率高，速度快，可在微小体积内以毫秒级的时间完成混合（在15ms内达到95%的混合）。两液流流速和流速比范围比较广，分别为1～200µL/min。中国科技大学7环境监测新技术导论该方法的基本原理是：因扩散时间与扩散距离中58激光器滤光片1芯片显微物镜二向色镜目镜光阑滤光片2光电倍增管共聚焦型激光诱导荧光检测器示意图§3微流控分析系统的检测器激光器一、激光诱导荧光检测器中国科技大学7环境监测新技术导论激光器滤光片1芯片显微物镜二向色镜目镜光阑滤光片2光电倍增管59分析仪电化学电化学检测器示意图高压电源wwcR二、电化学监测器中国科技大学7环境监测新技术导论电化学检测器示意图高压电源wwcR二、电化学监测器中国科技大60§4.微流控分析芯片的应用技术与特点

一、芯片毛细管电色谱技术逶迤形开口电色谱分离芯片结构：WRLPRSWRSRSR--样品池SWR–样品废液池LPR–流动相池WR–废液池检测器面积：8X8mm分离通道长：171mm有效分离通长：165mm中国科技大学7环境监测新技术导论§4.微流控分析芯片的应用技术与特点WRLPRSWRS61

采用键合、吸附、交换等方法，将固定相结合在柱内壁制备开口管芯片毛细管电色谱，在pH8的条件下可稳定数周。利用这种毛细管芯片电色谱技术在20分钟内分离了C440、C450、C460、C480四种香斗精，效果良好。中国科技大学7环境监测新技术导论采用键合、吸附、交换等方法，将固定相结合62二、芯片毛细管电泳技术：

高压电源2134LIFDD---检测器LIF---激光诱导荧光下图为芯片毛细管电泳的基本结构。工作时，先在进样通道1，2施加电压，在电渗流的作用下，试样从1经十字交叉口流向2，然后将电压切换到3，4。储存在交叉口处的一段试样溶液在电渗流的推动下进入分离通道进行分离。中国科技大学7环境监测新技术导论二、芯片毛细管电泳技术：高压电源2134LIFDD---检63三、芯片的多相层流无膜扩散分离：SB在微米级的通道中，低流速的液流完全呈层流状态。分离原理：粒子的扩散速度不同

H型–过滤芯片分子通过L距离所需要的扩散时间为：t3∏NηdpL2RT中国科技大学7环境监测新技术导论三、芯片的多相层流无膜扩散分离：SB在微米级的通道中，低流速64

T型-过滤芯片T型-过滤芯片BSBBS夹心型–过滤芯片中国科技大学7环境监测新技术导论T型-过滤芯片T型-65

四、芯片中的液-液萃取分离：试样萃取剂1.萃取原理：基于物质在互不相溶的两相间分配比的不同。在微流控液液萃取系统中，通过两种互不相溶的溶剂流动相流量的调节，可以在微通道中形成超薄的有机膜，在分离的选择性、速度、富集倍率等方面较单纯的多相层流无膜扩散分离有较明显的优势。中国科技大学7环境监测新技术导论四、芯片中的液-液萃取分离：试样萃取剂1.萃取原理66

2.微流控液液萃取的特点及影响因素：优点：

a）保持两相连续接触，无需通过机械震荡进行混合。b）短距离扩散缩短了平衡时间。c）具有大的比表面。d）试剂用量少（100nl）e）萃取率高。f）萃取的同时可直接检测。g）在同一芯片中可集成萃取、反萃取多个化学操作单元。

中国科技大学7环境监测新技术导论2.微流控液液萃取的特点及影响因素：中国67

影响因素：流速、比表面大小、扩散距离、反应速度。中国科技大学7环境监测新技术导论影响因素：中国科技大学7环境监测新技术导论68五、微流控分析芯片的特点：

优点：

1.具有极高的效率：

许多微流控芯片可在数秒～数十秒时间内自动完成分离测定或其他复杂的操作，分离分析速度常高于相应的宏观分析法1～2个数量级。这种快速的过程是因为在微米级的通道中具有很高的导热性和很快的传质速率以及结构尺寸的减小。

中国科技大学7环境监测新技术导论五、微流控分析芯片的特点：中国科技大学7环境监测新技术导论692.试样与试剂消耗甚微（数微升水平）3.易制成功能齐全的便携式仪器用于各类现场分析监测。4.耗材少，有利于普及。

局限性：目前情况而言，体积大，功能不全，制作成本偏高。

中国科技大学7环境监测新技术导论2.试样与试剂消耗甚微（数微升水平）中国科技70§5微流控芯片在环境监测