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1、CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY开开 题题 报报告告论论文文题题目：目：微流控芯片中无机微流控芯片中无机-有机复合整体柱的有机复合整体柱的制制备备及及应应用用 学生姓名：学生姓名： 许许瑾瑾 学院名称：学院名称： 理学院理学院 专业专业名称：名称： 应应用化学用化学 班班级级名称：名称： 0842 学学 号：号： 0808411210 指指导导教教师师： ： 崔振峰崔振峰 贾琼贾琼 教教师职师职称称: 教授教授 教授教授 学学 历历： ： 博士博士 2011 年年 3 月月 14 日日开开 题题 报报告告 一、选题依据一、选题依据 1.研究目的及意义微流控芯片
2、实验室又称芯片实验室，指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米（甚至更小）的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能的一种技术。微流控芯片实验室的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和大规模集成。随着分析科学与MEMS技术、材料学及生命科学等学科交叉研究的深入,微流控芯片分析系统(又称为芯片实验室,Lab on a Chip)得到了迅速的发展,其发展宗旨在于研制出集样品预处理和分离检测分析为一体的高度集成化的分析系统 1, 2 。目前研究较成熟的主要有电泳芯片、DNA芯
3、片、细胞分离芯片等微系统,均表现出较强的分析测试能力。但在系统功能化和集成化方面仍然存在诸多不足,其中最为突出的就是在芯片上实现复杂生化样品的预处理十分困难,这将直接影响生化分析的质量和最终结果。因此,对芯片集成化生化样品预处理技术的研究,已成为国内外研究的前沿和热点。整体柱(monolithic column)是近年发展起来的一种新型分离介质,它通过反应试剂原位聚合而制得,具有制备简单、通透性好、可实现快速分离等优点,在高效液相色谱 3和毛细管电色谱 4 中已被广泛应用。将原位聚合制备整体柱技术与2TAS过程相匹配,在微流控芯片上采用原位聚合制备整体柱实现固相萃取分离富集,已引起了人们的关注
4、5 。目前利用微流控芯片和整体柱分离模式来分离氨基酸的报道尚少。2.研究内容所属领域、研究范围本研究属于固相萃取的一个分支。在众多的样品预处理技术中，固相萃取显示出了卓越的性能。固相萃取（solid phase extraction, SPE）常被用于试样的预分离富集，以降低检测限或克服干扰。它利用选择性吸附洗脱的分离原理达到快速分离、净化与浓缩的目的，常应用在GC/MS或LC/MS分析前的试样去盐和预浓集处理。与其他相比具有很多的优势：（1）可以利用填充物和洗脱剂的不同，选择性地浓缩特定的分析物，具有更好的选择性；（2）在吸着柱未突破前，预浓缩的量仅受浓集时间的影响，因此常可达较高的浓集倍率
5、；（3）无需准确控制缓冲液的浓度。本实验将近年来在色谱领域发展起来的一种新型分离富集材料整体柱作为微流控芯片上的固相分离介质,利用整体柱制作简单、背压低、分辨率高、柱容量大等优点 6 整体柱具有双连续结构和双孔分布两大特点。双连续结构由相互交联的基质骨架和彼此连通的穿透孔组成; 双孔分布是指整体柱中存在两种不同类型、不同大小的孔,一种是微米级的穿透孔, 另一种是位于骨架表面的纳米级骨架孔。与传统的多孔微球型柱材料相比, 穿透孔的存在使得整体柱材料具有较好的渗透性和较小的传质阻力。整体柱可分为无机聚合物整体柱和有机聚合物整体柱两大类 7，,8 。目前大部分预处理过程都是在微芯片外实现的，这必然会
6、造成样品的损失与污染，同时不利于TAS的集成化。因此，样品预处理技术的研究是目前微流控分析系统研究中最为活跃的领域之一，蕴含了许多新技术的生长点。3.调研资料综述（包括国内外技术现状）近年来，针对于这方面的研究有很大的发展,很多方法都能很好的达到实验的预期目的。如:基于电驱动的场放大堆积、等速电泳和等电聚焦,基于磁场、声场作用的场效应分离和超声波分离,基于液液双相相互作用的多相层流和液液萃取,以及基于固液双相相互作用的过滤、膜分离和固相萃取等。其中,芯片上固液双相分离富集技术是一种既可实现待测物的浓缩富集,又能够去除杂质组分干扰的样品预处理技术,具有操作过程简单,易于在微芯片上实现集成与控制,
7、可通过选择合适的固相载体,提高对目标分析物的选择性等优势。另外，整体柱的应用也十分广泛,最主要的应用领域为色谱固定相,可用于反相高效液相色谱(HPLC ) 、离子交换色谱( IC ) 、疏水作用色谱、亲和色谱以及手性拆分等 9-13 。整体柱优良的性能使其在样品预处理领域也得到发展。与传统的涂层毛细管萃取柱相比,整体柱可以使萃取介质的体积大大增加,从而提高萃取容量;而相对于填充型萃取柱而言,使用整体柱不仅省去了繁琐的填装过程, 并且整体柱中特有的穿透孔为液体的流动提供了大孔通道, 以对流传质取代了缓慢的扩散传质,使得传质阻力明显减小,因而有利于萃取效率的提高。1998年,美国加州大学伯克利分校
8、的Frchet研究组 14首次将聚合物整体柱用于固相萃取。他们以热引发的方式在PEEK管内合成了聚苯乙烯整体柱材料,并通过调整预聚合溶液的比例,增大了该整体柱的比表面积和孔径, 提高了萃取容量。他们还加入了另一种共聚单体22羟基甲基丙烯酸乙酯以增加整体柱材料表面的亲水性, 并比较了加入前后整体柱材料对酚类物质的萃取性能。实验证明亲水性单体的加入改善了整体柱材料表面与样品溶液的浸润,提高了对极性物质的萃取回收率。无机聚合物整体柱如硅胶整体柱也被用于样品预处理。Lande rs 小组在芯片微通道中以四甲氧基硅烷为单体合成了硅胶整体柱, 将全血稀释后直接进行萃取,实现了其中脱氧核糖核酸(DNA )的
9、分析。2003 年Sh in tan i和N akan ish i等将硅胶基质整体柱引入管内固相微萃取( SPM E )技术中。结果表明, 15 cm 长的十八烷基改性毛细管硅胶整体柱对联苯的萃取量可达1g以上。近年来，整体柱作为一种新型的样品预处理材料，已经引起了越来越多的分析化学家的关注。目前报道的整体柱作为微流控芯片系统中的固相萃取吸附剂，主要有芯片上整体柱和芯片外联整体柱两种存在形式。Yu 等采用光诱导在芯片通道内原位聚合反应形成了多孔聚合物整体柱，用于芯片中固相萃取试样预富集。通过改变单体溶液的配比和组成，分别基于甲基丙烯酸酯类的疏水型和离子交换型聚合物，制备了表面性质、孔径大小、空
10、隙率等不同的整体柱。并用制得的整体柱对香豆精 519，香豆精 5192 肽化合物、绿色荧光蛋白质等分子量不同的化合物进行富集，获得 103 以上的富集倍数。芯片外联式整体柱可以通过热引发有机单体原位聚合反应来制备；另外，对制备过程要求严格的无机硅胶整体柱与芯片的连接也可以考虑外联方式。在这种外联方式下，只需选择合适的接口方式，即可实现整体柱与芯片的连接。该方法具有较好的灵活性，可方便地更换固相吸附剂而不影响芯片其它单元的操作。由于有接口的存在，易产生死体积，降低分析效率，因此，合理的接口设计是芯片外联式整体柱实现有效分离富集应考虑的重要因素。微流控芯片系统的目标是对样品进行快速、准确和高通量分
11、析。然而，现实样品成分复杂，针对样品每一种成分，预处理的要求是有差别的。整体柱吸附剂制备过程简单、聚合过程容易控制、可获得不同性质的化学表面。因此，在芯片上集成阵列式整体柱吸附剂，不仅增大了样品吸附容量，还能够有效分离富集得到目标物质，是一种有效可行的方法。Tan 等在带有 8 个平行通道(10 mm 长，360 m i.d.)的有机聚合物芯片上的微通道内，利用紫外引发单体溶液发生原位聚合反应制备整体柱，从而获得了具有分离富集能力的八阵列式微整体柱芯片。进一步实现了人尿样品及 P450 药物的固相萃取分析。在使用过程中，未发现整体柱收缩以及整体柱和芯片之间开裂的现象。开开 题题 报报告告三三
12、研究方法及技术路线研究方法及技术路线1.拟采用的研究方法本课题拟采用紫外光引发技术在微控流芯片内原位合成无机-有机复合整体柱作为固相萃取吸附剂，并结合光纤光度计在线检测常规药物中痕量有害中间体。2.技术路线、技术措施、技术关键微流控芯片流路设计与制备；整体柱制备最佳配比；无机纳米粒子引入比例；检测物质选取；萃取条件如样品流速、酸度，洗脱液种类、流速等对吸附效率的影响。四、可能存在的问题及解决措施四、可能存在的问题及解决措施由于微流控芯片流路属于微米级，流路容易堵塞，因此整体柱的渗透性及粒度大小对流路通畅具有很大的影响。在实验过程中必须多加尝试，找到最佳的制备配比。开开 题题 报报告告 五、预期
13、要取得的成果及成果的学术或应用价值五、预期要取得的成果及成果的学术或应用价值微流控芯片和整体柱目前在分离富集方面都具有广泛的应用，将二者结合，取得更好的分离效果将是未来研究的热点。本课题旨在优化二者结合的体系，以在药物分析中取得较好的效果。六、进度计划六、进度计划1）3 月 7 日3 月 15 日：查阅文献，初步了解实验方法和步骤。准备实验所用仪器及试剂。2) 3 月 15 日4 月 15 日：制作微流控芯片流路设计与制备3）4 月 16 日4 月 30 日：通过实验和查阅文献选择合适的单体，交联剂，制孔剂，引发剂，和引发条件4）5 月 1 日5 月 22 日：对制备的体系进行表征与应用5)
14、5 月 23 日6 月 14 日：总结实验结果，撰写毕业论文。报告人：许瑾2012 年 3 月 14 日开开 题题 报报告告七、参考资料七、参考资料 1 Wu JianGang(吴建刚 ) , Yue RuiFeng(岳瑞峰 ) , Zeng Xue Feng(曾雪峰 ) , KangMing(康 明 ) , Hu Huan (胡 欢 ) ,Wang ZheYao (王喆垚 ) , Liu LiTian (刘理天 ) . Chinese J. Anal. Chem. (分析化学 ),2006,34 (7) : 10421046 2 He Qiao Hong(何巧红 ) , Fang Qun (
15、方 群 ) , Fang Zhao Lun (方肇伦 ) . Chinese J. Anal . Chem. (分析化学 ) , 2006,34 (5) : 7297343 Li m LW, Hirose K, Tatsumi S, Uzu H, MizukamiM, Takeuchi . J. Chromatogr . A , 2004, 1033 (2) : 2052124 Bandilla D, Skinner C D. J. Chrom atogr . A , 2003, 1004 (12 2) : 167179 5 Hisamoto H, Horiuchi T, TokeshiM, Hibara A, Kitamori T . Anal . Chem. , 2001, 73: 138213866 Ping Gui Chen(平贵臣 ) , Yuan Xiang Lin (袁湘林 ) , Zhang Wei Bing(张维冰 ) , Zhang YuKui (张玉奎 ) . Chinese J.Anal . Chem. (分析化学
