环境监测新技术导论

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1、 第七章：微流控分析芯片技术第七章：微流控分析芯片技术 微流控分析芯片微流控分析芯片的提出与发展主要来自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。快的获取物质成分信息的需要。这种芯片这种芯片就就是采用是采用微细加工微细加工技术，将技术，将微通道、微阀、微微通道、微阀、微泵、微储液器、微电极、微检测器、窗口和泵、微储液器、微电极、微检测器、窗口和连接器连接器等功能元件集成在芯片上而构成的等功能元件集成在芯片上而构成的微微型全分析系统型全分析系统（-TAS）。）。 -TAS 的目标是把整个化验室的功能包括采样、的目标

2、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，最终实现分析实上，因此，有芯片实验室的叫法，最终实现分析实验室的验室的“个人化个人化”、“家用化家用化”。1 微流控分析芯片的结构与制作微流控分析芯片的结构与制作 一、微流控芯片的结构特点一、微流控芯片的结构特点 1. 是一种以是一种以微通道为网络微通道为网络，将微泵、微阀、微，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储液器、微电极、微检测器连接在一起而组成的集集 成系统成系统。对加入微通道中的流体进行控制与分离测。对加入微通

3、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。剂、反应、分离检测等。 2. 面积约为几个面积约为几个cm2 . 3. 微管道微管道宽度宽度与与深度深度为为mm级。级。 4. 4. 所用材料除所用材料除硅片、石英、玻璃外硅片、石英、玻璃外，还可是，还可是 有机化合物如有机化合物如环氧树脂环氧树脂等。加工技术除等。加工技术除微机电加工微机电加工 外，还有外，还有模塑法、热压法、激光烧蚀模塑法、热压法、激光烧蚀法等。法等。 二、芯片的制作方法二、芯片的制作方法 1. 光刻和蚀刻光刻和蚀刻 光刻光刻和和蚀刻蚀刻技

4、术由技术由薄膜沉积、光刻薄膜沉积、光刻和和蚀刻蚀刻三个工序组成，可三个工序组成，可表示如下表示如下:基片基片基片基片基片基片薄膜薄膜光胶层光胶层光刻光刻蚀刻蚀刻薄膜作为牺牲层保护基片表面，对于玻璃牺牲层用薄膜作为牺牲层保护基片表面，对于玻璃牺牲层用Cr,而硅片则用而硅片则用SiO2。 2. 芯片钻孔芯片钻孔 在通道的端头打一小孔，以便流体通过小孔进入在通道的端头打一小孔，以便流体通过小孔进入通道网络。通道网络。 3. 键合键合 ： 键合方法：键合方法： 热键合、阳极键合、粘合、低温键合热键合、阳极键合、粘合、低温键合 等。等。 热键合热键合：硅片与硅片之间的热键合称为硅熔键合。：硅片与硅片之间

5、的热键合称为硅熔键合。 将硅片放在将硅片放在硫酸溶液硫酸溶液中清洗干净，再用中清洗干净，再用盐酸盐酸除去除去 表面的表面的有机物有机物和和金属污染物金属污染物。然后将硅片浸泡在约。然后将硅片浸泡在约 100的的氢氧化铵氢氧化铵溶液中，使表面通过溶液中，使表面通过水化反应水化反应增增加加OH基，通过基，通过范德华力范德华力的作用可使处理后的硅片的作用可使处理后的硅片 紧密的贴合在一起。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。退火，界面上发生如下反应。 SiOHHOSi SiOSi +H2O 这样，两块硅

6、片就可牢固的贴合在一块了。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。硅片表面的洁净度是能否成功键合的关键。 2 、微流控分析系统中微流体、微流控分析系统中微流体 的驱动与控制的驱动与控制 一、微流体驱动系统一、微流体驱动系统 驱动系统主要由驱动系统主要由机械微泵机械微泵或或非机械微泵非机械微泵组成，目组成，目前在微分析系统中，以前在微分析系统中，以往复式机械微泵往复式机械微泵最为常见，最为常见，结构如下：结构如下：单向阀单向阀单向阀单向阀泵泵 腔腔致动器致动器泵膜泵膜液体流入液体流入液体流出液体流出驱动系统示意图驱动系统示意图 致动器的功能：致动器的功能：提

7、供驱动液流的动力。提供驱动液流的动力。 泵膜：泵膜：泵膜可往复运动，是一种可活动的机械部件。泵膜可往复运动，是一种可活动的机械部件。 单向阀单向阀：保证微泵驱动液流操作的：保证微泵驱动液流操作的连续性连续性和和定向性定向性。 致动器产生的动力作用于泵膜，使其发生形变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。用，形成单向连续流动的液流。 对驱动系统的要求：对驱动系统的要求： 1.体积应尽可能

8、小，易与芯片上其他系统实体积应尽可能小，易与芯片上其他系统实 现集成化。现集成化。 2. 流速流速: 流速范围大，流速的重现性好，流流速范围大，流速的重现性好，流 速的脉动性小。速的脉动性小。 3.泵压：对不同系统有不同的要求，如在芯泵压：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，泵压需在片毛细管电泳分离系统中，泵压需在3 10MPa之间，流速在之间，流速在50nL/min50 L/min 范围。范围。二、微流体的进样与混合系统二、微流体的进样与混合系统 1. 进样系统：进样系统： 将一段试样以将一段试样以塞流塞流形式注射到分离分析通道。形式注射到分离分析通道。 进样方法进样方法

9、：基于：基于时间时间和基于和基于体积体积的进样方法。的进样方法。 进样过程进样过程：充样充样和和注样注样 基于时间的进样方法基于时间的进样方法 a). “T”形通道进样法：形通道进样法： BSDBDS充样充样注样注样缓冲溶液缓冲溶液试样试样分离分析通道分离分析通道BSD 以电动注样的方式向分析通道注入一定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）体积的试样，试样体积由注样电压（流速）和注样时间来确定。和注样时间来确定。 优点优点：流路设计和操作简单，注样体积灵活：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，但换样不方可调，可引入比较大量的试样，但换

10、样不方便。便。（2）门式进样法）门式进样法BWSSBWDDBSDW 充样充样注样注样换样换样 这种进样方法是在充样阶段，采用分流的方法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。充样电压和时间可以控制进样量。 门式进样法在注样门式进样法在注样-分离分析阶段，试样通道和分离分析阶段，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点是便于换样和操作。可在分离分析的同时进行换 样操作。

11、样操作。 2. 微流体的混合系统微流体的混合系统： 分流型混合器分流型混合器 夹层结构（玻璃夹层结构（玻璃/硅硅/玻璃）玻璃）A、B溶液溶液 玻璃玻璃硅片硅片玻璃玻璃 AB分流型混合器分流型混合器 该方法的基本原理是：因该方法的基本原理是：因扩散时间与扩散距离扩散时间与扩散距离 的平方成正比的平方成正比，通过将液流分成多个薄层液流，可，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，将液流分为上，将液流分为n个分支薄层液流，将使混合时间个分支薄层液流，将使混合时间 加快加快n2倍。倍。 本系统的优点是：混合器本系统的

12、优点是：混合器死体积小死体积小，内部通道，内部通道 仅有仅有600nl,混合效率高，速度快，可在微小体积内混合效率高，速度快，可在微小体积内 以毫秒级的时间完成混合（在以毫秒级的时间完成混合（在15ms内达到内达到95%的的 混合）。两液流流速和流速比范围比较广，分别混合）。两液流流速和流速比范围比较广，分别 为为 1200L/minL/min。激光器激光器滤光片滤光片1芯片芯片显微物镜显微物镜二向色镜二向色镜目镜目镜光阑光阑滤光片滤光片2光电倍增管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微流控分析系统的检测器激光器激光器一、激光诱导荧光检测器一、激光诱导荧光检测器

13、分分析析仪仪电电化化学学电化学检测器示意图电化学检测器示意图高压电源wwcR二、电化学监测器二、电化学监测器 4. 微流控分析芯片的应用技术与特点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：逶迤形开口电色谱分离芯片结构：WRLPRSWRSRSR - 样品池样品池SWR 样品废液池样品废液池LPR 流动相池流动相池WR 废液池废液池检测器检测器面积：面积：8X8mm分离通道长：分离通道长：171 mm有效分离通长：有效分离通长：165 mm 采用键合、吸附、交换等方法，将固定采用键合、吸附、交换等方法，将固定相结合在柱内壁制备开口

14、管芯片毛细管电色相结合在柱内壁制备开口管芯片毛细管电色谱，在谱，在pH8的条件下可稳定数周。的条件下可稳定数周。 利用这种毛细管芯片电色谱技术在利用这种毛细管芯片电色谱技术在20分分钟内分离了钟内分离了C440、C450、C460、C480四种香斗四种香斗精，效果良好。精，效果良好。二、芯片毛细管电泳技术：二、芯片毛细管电泳技术： 高压电源高压电源2134LIFDD-检测器检测器LIF-激光诱导荧光激光诱导荧光 下图为芯片毛细管电泳的基本结构。工作时，先在进样下图为芯片毛细管电泳的基本结构。工作时，先在进样通道通道 1，2施加电压，在电渗流的作用下，试样从施加电压，在电渗流的作用下，试样从 1

15、 经十字经十字交叉口流向交叉口流向2，然后将电压切换到，然后将电压切换到 3，4 。储存。储存在交叉口在交叉口处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。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。三、芯片的多相层流无膜扩散分离：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。在微米级的通道中，低流速的液流完全呈层流状态。分离原理分离原理：粒子的扩散速度不同粒子的扩散速度不同 H 型型过滤芯片过滤芯片分子通过分子通过 L 距离所需要的扩散时间为：距离所需要的扩散时间为：t3NdpL2RT T型型- 过滤芯片过滤芯片T型型- 过滤芯片过滤芯片

16、BSBBS夹心型夹心型 过滤芯片过滤芯片 四、芯片中的液四、芯片中的液- 液萃取分离：液萃取分离：试样试样萃取剂萃取剂1.萃取原理萃取原理： 基于物质在互不相溶的两相间分配比的不同。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，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。流无膜扩散分离有较明显的优势。 2. 微流控液液萃取的

17、特点及影响因素微流控液液萃取的特点及影响因素： 优点：优点： a）保持两相连续接触，无需通过机械震荡进行）保持两相连续接触，无需通过机械震荡进行混合。混合。 b）短距离扩散缩短了平衡时间。）短距离扩散缩短了平衡时间。 c）具有大的比表面。）具有大的比表面。 d）试剂用量少（）试剂用量少（100nl） e）萃取率高。）萃取率高。 f）萃取的同时可直接检测。）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）在同一芯片中可集成萃取、反萃取多个化 学操作单元。学操作单元。 影响因素：影响因素： 流速、比表面大小、扩散距离、反应速度。流速、比表面大小、扩散距离、反应速度。五、微流控分析

18、芯片的特点：五、微流控分析芯片的特点： 优点：优点： 1. 具有极高的效率：具有极高的效率： 许多微流控芯片可在数秒许多微流控芯片可在数秒数十秒时间内数十秒时间内自动完成分离测定或其他复杂的操作，分离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分析速度常高于相应的宏观分析法12个数个数量级。这种快速的过程是因为在微米级的通量级。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。及结构尺寸的减小。 2. 试样与试剂消耗甚微（数微升水平）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

19、仪器用于各易制成功能齐全的便携式仪器用于各 类类 现场分析监测。现场分析监测。 4. 耗材少，有利于普及。耗材少，有利于普及。 局限性：局限性： 目前情况而言，体积大，功能不全，目前情况而言，体积大，功能不全， 制作成本偏高。制作成本偏高。 5 微流控芯片在环境监测中的应用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。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、大气和土壤环境样品的来源主要是水源、大气和土壤三

20、个方面，由于大多数环境样品中的待测组三个方面，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，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。样品进行预富集处理。 1. 水样中污染物的分离测定水样中污染物的分离测定 Petr Praus利用毛细管等速电泳和毛细利用毛细管等速电泳和毛细管区带电泳完成了饮用水管区带电泳完成了饮用水中亚氯酸盐中亚氯酸盐的检测的检测用电导检测法检出限达到了用电导检测法检出限达到了0.01

21、2 m gL 0.017mgL 曾小岚采用高效毛细管电泳曾小岚采用高效毛细管电泳法对环境水样中溶解态的法对环境水样中溶解态的钙、钙、 镁、镁、 钠钠等金属等金属离子进行分离检测离子进行分离检测 ，4.5 min 内钙、内钙、 镁、镁、 钠钠3种金属离子完全分离种金属离子完全分离 ， 而且试样预处理简而且试样预处理简单单 ， 重现性良好重现性良好 ， 回收率为回收率为94.8105.8 毛细管几乎可以分离除挥发性或难溶物之毛细管几乎可以分离除挥发性或难溶物之外的各种分子外的各种分子 再如以热透镜为检测器测定水样中的再如以热透镜为检测器测定水样中的 Co2+、Fe2+、K+等。等。 光度法测定水中

22、的光度法测定水中的NH3、NH4、NO3- -等等 化学发光法测定化学发光法测定Cr3+, 检测限可达检测限可达10-7 mol/L -2. 气体污染物的测定：气体污染物的测定： 在芯片上加工一个在芯片上加工一个多种气体选择性多种气体选择性处理单处理单 元（内容积元（内容积640微升微升左右）、两个左右）、两个SnO2气气 体传感器体传感器检测检测单元（内容积单元（内容积270微升微升左右），左右）， 通过一系列管路和微阀的组合，对微量待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。测污染气体进行检测。 两个两个SnO2气气 体传感器中，一个体传感器中，一个厚膜厚膜， 一个一个薄膜

23、薄膜。 薄膜传感器对薄膜传感器对O3、NO2敏感（敏感（400 oC） 厚膜传感器对厚膜传感器对CO、CH4敏感（敏感（500 oC） 因此可对因此可对CO、NO、O3、NO2、CH4等污等污 染气体进行检测。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微气相色谱分离系统选择性的分离分析 挥发性化合物：挥发性化合物： 在在1.0 1.5cm2的硅片上刻蚀出的硅片上刻蚀出40 100微米微米寛、寛、30 40微米微米深的微通道，内深的微通道，内 壁覆盖固定相，再键合上一片玻璃，这一壁覆盖固定相，再键合上一片玻璃，这一 系统可在系统可在74ppm的二甲苯背景下，有效的的二甲苯背景下，有效的 分离检测分离检测 75ppb 的二甲基磷酸甲酯和的二甲基磷酸甲酯和 1 ppm 的水杨酸甲酯。的水杨酸甲酯。 还可有效的分离分析一系列还可有效的分离分析一系列C8C17的脂肪的脂肪 酸甲酯。酸甲酯。