微全分析系统PPT

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,7.3微型全分析系统,7.3.1 导言,科学仪器在人类的整个科技发展过程中都起到极其重要的作用，,这在近代科技发展中反映得尤其突出。,分析仪器的发展趋势就是微型化/集成化与便携化。当前，主要为,了适应生命科学发展的需要，分析仪器的发展正在出现一个以微,型化为主要特征的，带有革命性的重要转折时期。,自从Manz和Widmer于1990首次提出微型全分析系统(,TAS,miniaturized total analysis system或micro total analysis system),的概念以来，经历了发展初期的冷落和彷徨，在短短的十几年中,已发展为当今世界上最前沿的科技领域之一。,2001年，英国RSC创刊Lab-on-a-chip（,芯片实验室,）。,2002年，美国Anal.Chem.将,TAS列入每两年一次的综述中，标,志着它作为分析化学的一个独立领域，已被学术界承认。并将微,流控芯片系统作为其主要发展方向。,1,TAS,的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限,度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成,到方方寸大小的芯片上。由于这种特征，本领域的一个更为通,俗的名称“芯片实验室”(Lab-on-a-chip, LOC)已经被日益地接受。,在分析系统微型化与集成化的基础上，,TAS,的最终目标是实现,分析实验室的“个人化”，“家用化”，从而使分析科学及分析仪,器从化学实验室解放出来，进入千家万户。,微流控芯片(microfluidic chips),是,TAS,中目前最活跃的领域和,发展前沿，它最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片,上的,思想，其未来的发展将对上述目标的实现起到非常重要的,作用。,2,Microfluidic chip,Sample preparation,Mass transport,mixing,reaction,Sample injection,separation,detection,3,4,5,6,7,作为分析化学的前沿技术，,TAS,的迅速发展不仅是该领域科学,工作者不懈努力的结果，而且得益于微机电加工(MEMS)、生物,化学、材料学、微光学机械等多门学科最新成果的投入。,然而，,TAS,的实际应用目前尚处于初级阶段，对分析系统来讲,要求达到既“微”又“全”，从总体上看，还仅仅是目标，离真正实,现还有相当大的距离。,这些目标的实现必须靠大力发展微流控技术；生物(阵列)芯片虽,然是很重要的生物检测手段，但难以在实际分析系统的“微、全”,方面发挥优势。,一个新学科的发展既需要强大先进的技术支撑，更需要先进的理,论指导，,TAS,在发展中还需要更多的基础理论来更深入地理解,和掌握物质在微米尺度流动状态下的行为，例如微米通道中的传,质、导热、吸附及微区反应规律等。这些都对相关的理论研究提,出了新的挑战！,8,7.3.2 微型全分析系统及微流控分析芯片发展简史,微流控分析芯片的出现在现代分析科学与分析仪器的发展中有其,历史的必然性。回顾近40余年发展历史会看到分析系统的自动化,微型化趋势早在1950s和1960s即已出现，其发展动力主要来自于,环境及材料科学的发展中对更多更准更快地获取物质成分信息的,需要。,Skeggs创始的间隔式连续流动分析(segmented continuous flow,analysis, SCFA)是这一时期发展的有代表性的成功范例。其成功,之处在于首次突破了延续了200年的分析化学传统操作中以玻璃,器皿和量器为主要工具的操作模式，把分析化学转移到有流体连,续流动的管道中，数毫米内径数米长的玻璃或聚合物管道不仅是,化学反应的,新容器,，而且也成为分析操作实现连续化自动化的“,传送带,”。,液体连续驱动手段蠕动泵！,9,图7.8 SCFA系统示意图(a)和FIA系统示意图(b),S 试样；A空气；R试剂；CR载液,10,SCFA虽然在溶液分析自动化方面取得了成功，在分析操作所,需面积的减少方面也有所贡献，但在设备和试样、试剂消耗及,微型化方面却进展不大，分析速度比传统的手工操作也无显著,提高。后者是因为限制分析速度的因素是化学反应本身，而非,溶液操作过程。,Ruzicka和Hansen于1975年提出了FIA。他们在继承连续流动观,念的同时，彻底抛弃了SCFA中要求在流动中必须实现物理平衡,(完全混合)与化学平衡(反应完全)的观念，去除了管道中同时起,间隔与搅拌作用的气泡，提出了,在非平衡(不完全混合、不完全,反应)条件下实现重现性定量分析的技术条件。,他们利用了细管,道(1 mm内径)中液体层流状态的可控性与重现性，加上准确的,时间(即流速)控制，实现了重现、但非完全的混合状态，并在此,基础上来实现重现、而未必完全的化学反应。,11,这一观念的提出大大地提高了分析速度，使每小时测定上百种试,样成为可能，同时也促进了分析系统的微型化。试样与试剂消耗,从10 mL水平降低到10200,L水平。分析操作也从简单的自动,进样-检测发展到包括溶剂萃取、柱分离、沉淀、共沉淀、气-液,分离、渗吸等在内的试样多种前处理自动化。,经过30年的发展，FIA已经渗透到涉及溶液分析的几乎所有分析,化学领域，不仅促进了分析化学自动化和微型化的发展，同时也,为,TAS的提出铺平了道路。,Ruzicka和Hansen早在1984年就提出了集成化微管道系统(,Integrated microconduit systems, IMCS)的概念，并取得了一定,的成功。但由于当时科学技术整体水平的局限性，至少他们当时,并未清楚地意识到需要通过多学科交叉来进一步发展他们的学术,思想，从而错过了一次重要的发展机遇！,12,Manz和Widmer则在发展,TAS,方面要显得更为幸运和富有远见。,他们最初的尝试是首先把FIA转移到微加工芯片上。所构建的流,动注射光度测定,TAS装置为多层芯片结构，主要是采用了单晶,硅材料加工。装置的复杂性使人们对其未来发展前景不敢过于乐,观。,然而当时分析化学另一学科大迅速崛起为,TAS提供了一个重要,的发展机遇毛细管电泳分离！一方面，毛细管电泳为,TAS提,供了方便灵活的，在微尺度下电渗驱动手段；另一方面，在芯片,上加工的毛细管电泳-,TAS又显示出比传统毛细管电泳更优良的,性能。,Manz与Harrison于1992年合作发表了首篇微加工芯片上完成的毛,细管分离的论文，展示了,TAS大发展潜力。随后，科学家们迅速,把,TAS大发展重点定位在基于MEMS技术的平板玻璃或石英芯片,上的电渗驱动的毛细管电泳分离微流控系统。,13,1994年以后，美国一些著名大学研究组的介入使该领域的发展,迅速出现高潮。,1994年Ramsey group,1995年Mathies group,1995年 Caliper Technologies 公司,1995年Whitesides group,1999年惠普公司研制出第一台微流控芯片商品化仪器开始销售,2001年 Lab-on-a-chip学术季刊创建,14,7.3.3 微型全分析系统的分类,TAS可分为芯片式与非芯片式两大类。芯片式是发展重点。,在芯片式,TAS中，依据芯片结构及工作机理又可分为,微流控,芯片和微阵列(生物)芯片,。它们均依托于MEMS技术，目前又,都主要服务于生命科学，但前者以微通道网络为结构特征，后,者以微探针阵列为结构特征。,微阵列芯片目前的主要应用对象是DNA分析，所以也称为DNA,或基因芯片。其发展要稍微早于微流控芯片，始于1980s，主要,是在生物遗传学领域发展起来的。,微流控芯片主要是在分析化学的学科领域发展起来的，,15,表7.1,16,图7.9 (a)典型的微流控芯片,(b)典型的微阵列(生物)芯片,17,Microarray (Bio) Chips,18,Sample preparation,Mass transport,mixing,reaction,Sample injection,separation,detection,Microfluidic chips,Structure：microchannel net,functions： all functions of an analytical Lab,Microfluidic chip,Main functions:,19,7.3.4 流控分析芯片特点,微流控芯片的优点,(1)微流控芯片具有极高的效率，可在数秒至数十秒时间内自动,完成分离、测定或其他更复杂的操作。分离和分析速度常高于,相对应当宏观分析方法一至二个数量级。其高分析或处理速度,即来源于微米级通道中的高导热和传质速率，也直接来源于结,构尺寸的缩小。,(2)微流控分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并随着,技术的提高，还可能进一步减少。降低了分析费用户贵重生物,试样的消耗，也减少了环境的污染。,(3)用微加工技术制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多个部件,与功能可能集成在数平方厘米的芯片上，在此基础上易制备功,能齐全的便携式仪器，用于各类现场分析。,(4)微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。当实现批量生产后，,芯片成本可望大幅度降低，有利于普及。,20,微流控芯片的局限性,(1)作为,TAS的主要发展前沿，当前的微流控芯片系统总体,上既不够“微”，分析功能也远达不到“全”。主要原因是集成,度不够高，多数检测器的体积过大，实现集成化还有很长的,路要走。,(2)在目前加工条件下微流控分析制作成本还难以满足有关成,果推广应用的要求。一块供研究用的标准玻璃芯片价值100多,美元。一块供分析12个试样的一次性专用芯片价值10美元。,(3)目前报道的大部分微流控芯片分析系统不包括试样的前处,理功能，即功能不够全，为了解决实际试样的分析，这方面,的研究需要在应用领域的实用过程中大大加强。,21,7.3.5 微流控芯片的分类,根据芯片材料的不同可分为：,硅芯片,玻璃芯片,石英芯片,高聚物芯片,硅-玻璃、硅-石英、玻璃-高聚物等复合材料芯片。,根据功能不同可分为：,高分辨分离芯片；,微采样(进样)芯片；,微检测(传感器)芯片；,细胞分析芯片；,前处理芯片；,化学合成芯片；,多功能集成芯片。,22,7.3.6 微型全分析系统的发展趋势与展望,(1)继微阵列(生物)芯片后，微流控分析芯片已成为,TAS当前的发,展前沿。例如，近期,TAS,的会议论文中微流控分析芯片占87%，,微阵列芯片占4%。,(2),TAS,与微流控芯片已经从以毛细管电泳分离为核心分析技术,发展到液-液萃取，过滤，无膜扩散等多种分离手段。,(3),TAS从以电渗流为主要驱动手段发展到包括流体动力，气压,重力，离心力，剪切力等多种分离手段。,(4)微流控分析系统从单道检测发展到多重平行检测。阵列通道数,在2003年最多已达384道。,(5),TAS,已从以激光诱导荧光为主要检测器发展到多种检测手段，,如光度法，电化学，质谱，原子光谱，化学发光等。,(6),TAS,已开始从单纯的毛细管电泳分离检测发展到包括复杂试,样前处理的高功能全分析系统。,(7),TAS,已开始从成分分析工具发展到包括在线检测的微型化学,反应与合成手段，在新药筛选中显示出强大的生命力。,23,(8)微流控芯片已开始从进行一般成分分析发展为单分子单细胞分,析。,(9) 微流控芯片已开始从主要为玻璃基质发展玻璃与高分子聚合物,材料并重，尤其在芯片的产业化方面，后者因易于实现批量生产,而将更具备优势。,(10) 微流控理论研究日益受到重视，通道及结构长度的缩小对传,统流体力学提出了新的挑战。通过数学模型的建立及计算机模拟,手段可望大大简化微流控系统的设计。,(11)微流控系统在细胞分类、分析，甚至微生物的培养中，都正,在显示出其独特的优越性，而吸引了众多研究力量的投入。,(12) TAS已开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开,发阶段。商业领域的竞争将日趋激化。,10年？20年？,24,7.4微流控分析芯片加工技术,7.4.1微流控分析芯片的结构和加工特点,微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微,储液器、微电极、微检测元件，窗口和连接器等功能元件像集成,电路一样，使它们集成在芯片材料(基片)上的微全分析系统。,其结构和加工特点如下：,(1)以微管道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测,元件等连接在一起，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)微流控分析芯片的面积为几个平方厘米。,(3)微管道宽度和深度为微米级。,(4)芯片材料已从硅片发展到玻璃，石英，有机聚合物等，因此也,发展了有机聚合物材料的加工技术。在传统的光刻和蚀刻的基础,上发展了模塑法，热压法，激光烧蚀法，LIGA技术和软光刻等新,方法。,25,Microfluidic chip,silicon、glass,and quartz,polymers,microlithography,chemical etching,modling procedure,microcontact printing thermopress,soft lithography,(DRIP,SFB,ECR,),Materials,Fabrication tech,26,7.4.2微流控分析芯片的材料,用于制作微流控分析芯片的材料有单晶硅、无定形硅、玻璃、石,英、金属和有机聚合物，如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯,(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。,7.4.3光刻和蚀刻技术,微细加工技术是微流控分析系统发展的前提条件。微流控分析芯,片上微通道的制作，起源于制作半导体及集成芯片所广泛使用的,光刻(lithography)和蚀刻技术(etching)。它是用光胶、掩模和紫外,光进行微制造，工艺成熟，已广泛地用于硅，玻璃和石英基片上,制作微结构。,27,图7.10 光刻和蚀刻的基本工序,28,7.4.4高分子聚合物微流控芯片的加工技术,高分子聚合物基片上制作微通道的技术有模塑法，热压法，,LIGA技术，激光烧蚀法和软光刻等。,软光刻是相对于微制造领域中占主导地位的光刻而言的微图形,转移和微制造的新方法。因光刻不但需要昂贵的设备和超净实,验室，也不能在曲面上加工微结构。,从1995年开始，G.Whitesides等以自组装单分子层(self-assembled,monolayer, SAMs)，弹性印章(elastomeric stamp)和高聚物膜塑,技术为基础，发展了一种新的低成本的微细加工新技术“软光刻,”。软光刻技术的核心是图形转移元件-弹性印章。方法有微接触,印刷法，毛细微模塑法，转移微模塑法和微复制模塑法等。它不,仅可在高聚物等材料上制造复杂的三维微通道，而且可以改变材料,表面的化学性质，有可能成为低成本的微流控分析芯片的新方法。,29,图7.11 模塑法复制弹性印章,30,7.5微流控分析芯片的应用,图7.12 芯片毛细管电泳的基本示意图,31,两种芯片毛细管电泳芯片结构,32,图7.13（A）细胞分析实验所采用的微流控装置的图像。（B）A中所示,的微流控装置中乳化和溶胞交点的示意图。实线表示本体流体流动的方向，,虚线是溶胞后标记组分的电泳迁移方向。,33,图7.14细胞溶胞的CCD图像。（A）标记过Calcein AM的Jurkat细胞（在,白色椭圆形内）正被流体动力传输到溶胞处。细胞的图像有些变形，原因,是CCD摄相机的积分（曝光）时间与细胞流动的时间相比太长。箭头表示流,体在通道中的流动方向。细胞上不清楚的线和点是由于照相机读出时象素刺,目的闪光所引起的。（B）细胞遇到电场被溶胞荧光标记的组分被注射到分离,通道中，向正极迁移。箭头所指的方向为溶胞产物在通道中迁移的方向。,（C）所观察到的是分离两种荧光标记组分（用星号标出）的情况。,34,Mathies 集成芯片研究历史变化,目前正以此研究单细胞快速鉴定、蛋白组高速分离、宇宙空间生命研究,简单芯片,高密度集成,35,96-channel radial capillary array electrophoresis microplate,Y. Shi et al.,Anal. Chem.,1999, 71, 5354,36,