流动注射分析系统动力驱动装置综述

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1、流动注射分析系统动力驱动装置综述 摘要：动力驱动装置是 FIA 系统的心脏，传统的驱动装置有蠕动泵、注射泵、 活塞泵等。FIA 驱动装置主要向微型化和非机械驱动发展，依据微驱动系统所 用驱动动力的不同通常划分为电渗流体驱动系统、磁流体动力泵、重力驱动系 统、热气动微泵、表面张力微泵等。微流体驱动技术是实现微流体控制的前提 和基础， 通过对通道内流体的操控，实现在芯片系统上完成分离分析功能。 关键词：流动注射 驱动装置 泵 微型化 1流动注射技术发展 流动注射分析(Flow Injection Analysis，FIA)是 70 年代中期诞生并迅速发 展起来的溶液自动在线处理及测定的现代分析技术

2、，FIA 从实验室操作中最基 础部分入手来提高整个化学分析过程的效率及改善提供信息的能力。1975年由 丹麦学者 Ruzicka 与 Hansen 1 首次命名的流动注射分析，摆脱了传统操作最终 都要达到物理与化学平衡这种观念上的局限，采用把一定体积的试样注入到无 气泡间隔的流动试剂(载流)中的办法，保证混合过程与反应时间的高度重现性， 在非平衡状态下高效率地完成了试样的在线处理与测定，从而触发了化学实验 室中基本操作技术的一次根本性的变革。它打破了几百年来分析化学反应必须 在物理化学平衡条件下完成的传统，使非平衡条件下的分析化学成为可能，从 而开发出分析化学的一个全新领域。 Ruzicka

3、等 2 1988 年在其专著第二版中对流动注射分析作的定义为:向流路 中注入一个明确的流体带，在连续非隔断载流中分散而形成浓度梯度，从此浓 度梯度中获得信息的技术。它与其他分析技术的区别在于三个共存的要素：样 品的注入、高度重现的时间控制和受控制的分散。典型的流动注射分析系统如 图 1所示，一台液体驱动装置(如蠕动泵)：把载流和试剂溶液泵入反应管道及 检测器；一个注入阀：用来把一定体积的界限明确的试样注入到载流中；反应 管道：用来使试样与载流中的试剂由于分散而实现高度重现的混合，并发生化 学反应；一个设在适当检测器中的流通池：使反应过程中形成的可供检测的产 物流过其中时由检测器测出信号。图 1

4、.流动注射分析系统典型装置 C.载流 P.泵 S.试样 R.反应器 D.检测器 W.废液 2流动注射系统驱动装置的发展 液体传输设备是 FIA 系统的心脏，其功能是将试剂、样品等溶液输送到分 析系统中。在流动注射系统中传统的驱动装置有蠕动泵、注射泵、活塞泵等， 在瑞士化学家 Manz 和 Widmert 1990年首次提出的“微型全化学分析系统 (Mmiaturmed total chemical analysis system，TAS)”概念指引下，FIA 驱动装置 逐步向微型化发展。正如 “傻瓜” 照相机的出现使得照相机迅速进入了千家 万户，要推广 FIA 仪器也同样需要其 “傻瓜化” 。

5、方肇伦教授 3 曾经指出 FIA 仪器要实现“傻瓜化” 的重要技术途径之一就是补充比蠕动泵更易掌握、性能 更稳定的液流驱动手段，可见驱动装置改进的迫切性和重要性。TAS 操作的 核心是对微流体的控制，而研究与微通道相适应的微流体驱动技术是实现微流 体控制的前提和基础，没有液体的流动，也就没有流体的控制问题。 2.1传统的 FIA 驱动装置 2.1.1蠕动泵 蠕动泵(图 2-a)由驱动电机、泵头、压盖 (或带) 、压力调节装置和泵管几 部分组成。常用的电机有同步电机、可逆电机和步进电机。泵头多为由 8 支滚 柱组成的滚轮，要求用耐磨和耐腐蚀材料精密加工制成，滚轮与电机的转轴要 求严格同心。压盖分

6、为多道一体式、分道式和压带式，前两种对压盖的曲率要 求很高。压力调节装置要求易调和调后不自行变化。泵管最常用的是聚氯乙烯 ( Tygon，又称 PVC) 泵管和硅橡胶泵管。 蠕动泵的工作原理是泵管在泵头和压盖之间连续受到挤压，使泵管具有吸 液和输液的功能。流速是由泵头的转速、泵管的内径和压盖的压紧程度决定的。蠕动泵价格比较便宜，能满足 FIA 的要求。在使用蠕动泵做驱动装置的流动注 射分析系统中，蠕动泵的运行状况，特别是泵速的稳定性，直接影响着系统的 测量精度 4 。 蠕动泵的最大缺点是不能避免流体脉冲较大，贲洪奇 5 等人对此作出改进， 设计了一种步进电机控制电路。步进电机运行速度及运行方向

7、容易控制，起动 和停止迅速，步距精确，适合作蠕动泵的驱动装置，提高了蠕动泵泵速的稳定 性，减少脉动对测量精度的影响，取代传统可逆电机控制电路和步进电机环形 分配器控制电路。 图 2-a 蠕动泵的滚轮 2.1.2注射泵 注射泵(图 2-b)是耐用的装置，可以处理不同的溶液（如有机溶剂，能够产 生无脉冲的流体，并且易于控制。可是在多试剂系统中这种泵太昂贵，而相对 便宜的注射泵（比如输液泵）不能精确停止或转换方向。除了合理程序控制流 体的推动，注射泵还需要一个定向阀或止逆阀来控制注射体中流体。 注射泵缺点 6 ：注射泵的再填充降低了进样频率，但加料一次进行多次测 量的大体积注射又因为流动注射需要严格

8、的重现性受到限制。图 2-b 注射泵 2.1.3活塞泵 6 活塞泵通过在泵头中来回移动活塞和使用单程定向止回阀驱动流体运动， 如图 2-c 所示。这种运动是由一个高度精确的圆形凸齿旋转而产生的，可长期 不断重复。瞬间的管道流速图展现出交替的或是脉动的流动，在整个冲程过程 中平稳地加速或改变流速。这种泵不容易满足流动注射系统的要求，因为它是 设计用于高压单流路的 HPLC 系统的，很少把这种驱动单元用于单个的流动注 射分析系统 流体的稳定性取决于活塞的数量，单活塞泵脉冲较严重，而双活塞泵能够 提供很稳定的流体，通过阻尼系统可以降低脉冲，这点与蠕动泵很相似。 图 2-c 在抽吸模式下活塞泵的工作机

9、理 （1DVC：双向止回阀 2.隔膜 3.流速图）2.2 FIA 驱动系统的发展 传统的机械驱动装置均存在各自缺点，虽然可以通过与其他方式联用减少 其不足，但是由于体积较大，做成便携式仪器或集成芯片实验室完成整个分析 过程困难很大。因此，科研工作者们不断努力，使得 FIA 驱动装置主要向微型 化和非机械驱动发展。通过微型化动力驱动系统,对通道内流体的操控，可将整 个分离分析过程集成到平方厘米级的芯片上完成(Lab on chip)。依据微驱动系统 所用驱动动力的不同进行，通常分为：电渗流体驱动系统、电流体动力泵、磁 流体动力泵重力驱动系统、热气动微泵、表面张力微泵等。分述如下： 2.2.1电渗

10、泵 在微流动注射分析、毛细管电泳、毛细管电色谱、毛细管液相色谱及微流 控芯片电泳等微流动分析系统领域，微流体的驱动与控制十分重要。电渗泵是 利用在电渗通道施加直流电压而产生电渗流来驱动液体运动的一种输液技术， 通过精确控制驱动电压和电流，就可以使电渗泵稳定输液 7 。它具有流量范围 宽及调节方便、无阀、无活塞、制造成本低、设计简捷等优点 8 ，可作为微流 动分析系统的输液手段。利用刻蚀微通道和填充毛细管的电渗泵，使用较高的 驱动电压，能产生几十 MPa 的输出静压强，最大输出流量可达几十 L /min， 主要用于毛细管液相色谱中驱动流动相。使用直径较大的电渗柱，在几十甚至 几百伏的驱动电压下，

11、能产生数 mL /min 输出流量，已成功用于流动注射分析 中 9 。如包军杰等 10 采用电渗泵顺序注射分光光度法对水中痕量 Cr ( ) 进 行了测定。方法通过改变电渗泵流量、 流动方向及阀注入时间 ，实现试剂和 样品的定量注入和反应时间的控制，应用该法成功地进行了地表水中 Cr ( ) 的测定。 根据何友昭等 11 报道，在电渗泵工作时，电渗柱内产生的气体易使电流中 断，导致停泵。为此，常常人为停泵进行除气，使泵能继续工作，这给实际应 用带来了不便。谭峰等为克服需要定时停泵除气的缺点，研究设计了一种新型 结构的电渗泵(如图 3)，能够及时去除电极腔及电渗柱内产生的气体，可长时间 不间断工

12、作 (超过一星期)，并输出稳定的流量。可用于微流控分析、 流动注 射分析、 微反应输液等多个领域。图 3. 电渗泵的结构示意图 2.2.2磁流体动力微泵 直流电驱动的磁流体动力微泵，其原理是将分别接直流电源正负极的电极 板和两块永久性磁铁(N、S 两极相对) 垂直放置，Lorentz 力方向即是液体被驱 动方向。该种泵的优越性是：(1)构造简单，可以制作在硅片上；(2) 流向双向 可调，例如改变电场方向即可改变流体流向； (3) 适用于中性电导液；(4) 用 于生物医药例如药物传送或微流驱动；(5) 带正、 负电荷的离子在 Lorentz 力 的驱动下，将按同一方向运动。 直流电驱动的磁流体动

13、力微泵的致命缺点是：电压稍高或溶液中电解质离 子浓度较大时极易产生气泡。为了消除气泡，现已在硅片上设计出用交流电供 电的交流电磁微泵 12 。这种泵可产生连续的、无脉动的液流。交流电磁微泵设 计的新颖之处在于将正弦曲线的电场与一个同步的交流磁场垂直放置，由于这 两个场是同步的，在整个过程中，Lorentz 力方向将指向同一方向，当高频交流 电场通过电解质溶液的时候，化学反应快速地向相反方向进行，气泡将没有机 会形成 ，也没有电场梯度产生。 何宗莉 13 对碘盐流动注射分析 14 中的驱动装置加以改进，将电磁泵应用于流动 注射分析，测定食盐中的碘酸盐含量。最佳操作条件为 0115% 碘化钾、11

14、5% 磷化钾、011% 淀粉溶液作为显色剂通路的试剂，水为载液，操作简单、易于 推广应用。2.2.3重力驱动泵 重力驱动泵依靠试剂/载流器与流动注射流路的高度差，获得的是无脉冲的 流动，高度差决定了流速的大小。重力驱动泵最大的缺点是需要维持存储池中 液体在一定高度，这样才能产生稳定的流速，可通过使用大横截面积的存储池 来解决这一问题。 在 Yager 等 15 报道的多相层流分离分析系统中，采用重力作为系统的驱动 力，其系统装置如图 4所示。方法是：将试样和试剂注入通道和贮液池后，将 芯片竖立，利用重力驱动试样和试剂溶液向下流动，进行多相层流分离和混合 反应。由图 4可见，其系统结构很简单，没

15、有任何专门的致动系统和能源系统。 其进出口液面间高度差为 5cm。由于不同血液试样的密度和粘度有所差异，将 导致试样液流流速的变化，造成层流间物质传输效率的变化，从而影响分析的 准确度。因此，该系统设计了包含三相层流的分离反应和校正系统，在对试样 进行分析的同时，对层流间物质传输效率进行校正。 图 4 重力驱动微流控分析芯片 2.2.4热驱动微泵 热驱动微泵是利用流体的热特性，例如热胀冷缩或者相变来驱动工作流体。 图 5所示为利用流体受热相变来实现泵送的新型微泵。通过对微细管内液体进 行循环周期性加热，利用流体周期性的相变可以使流体沿热源移动的方向泵送。 对于特征尺度为 200m 的微泵，其泵

16、送流量可达 34L/min，最大泵压可达 20kPa 以上。图 5 相变型热驱动微泵示意图 2.2.5化学反应驱动微泵 16 Yo Hart Choi 17 等例介绍了一种新型氧气驱动微泵，如图 6所示。泵的驱动 力是通过化学反应产生的氧气气泡。过氧化氢在催化剂 MnO 2 的作用下分解产 生氧气。仅仅分解 1此 30%(w/w)H 2 O 2 就可以得到超过 100L 的气态氧。在分 解反应开始前过氧化氢和催化剂用石蜡油分开。通过置于底部的微加热器熔化 石蜡，过氧化氢在催化剂作用下开始分解。贮液槽内的液体样品在氧气的推动 下在微通道内流动。氧气微泵易实现集成化加工，同时也可以为化学反应系统 提供 纯氧。 图 6 氧气驱动微泵结构示意图其中(a)为装置截面图，(b)为由 SU8 阳模得到的 PDMS 基片 FIA 驱动系统除以上发展外，近几年还出现了许多以声、光、电、磁、热 等为基本致动形式的微流量输液泵 18 ，如热驱动微泵、电化学致动汞微泵、超 声波微泵、微型电