分析化学中分第七章自动分析技术微型全分析系统.ppt

第七章,自动分析技术/微型全分析系统,7.1导言7.2流动注射分析7.3微型全分析系统7.4微流控分析芯片加工技术7.5微流控分析芯片的应用,微流控分析芯片，方肇伦 等编著，科学出版社，2003,7.1导言,传统的化学分析方法是手工分析，至今仍被广泛应用。手工分析的缺点是手续繁杂、速度慢，分析结果与分析人员的技术水平和熟练程度有关，还不可避免地使分析人员长时间接触化学药品，严重影响健康。为了克服这些缺点，几十年来，人们根据不同的分析要求，模拟手工分析的程序设计了各种各样的机械程序分析装置，用机械操作代替手工操作，给分析工作者减轻了许多负担，分析速度、准确度、精度也有了一定的提高。但这类程序分析器一般只适于分析一两种特定组分，通用性差。,1950s，“连续流动分析”技术发展起来了。它的基本思路是把各种化学分析所要用的试剂和试样按一定的顺序和比例用管道和泵输送到一定的反应区域，进行混合，完成化学反应，最后经检测器检测并由记录仪显示分析结果，实现了管道化的自动连续分析。但这些分析仍建立在化学平衡的基础上，速度受到限制。丹麦技术大学的J.Ruzicka 和于1975年提出了流动注射分析(Flow Injection Analysis，FIA)的新概念。把试样溶液直接以“试样塞”的形式注入到管道的试剂载流中，不需反应进行完全，就可以进行检测。摆脱了传统的必须在稳态条件下操作的观念，提出化学分析可在非平衡的动态条件下进行，从而大大提高了分析速度。一般可达每小时进样100300次。从样品注入到检测器响应的时间间隔一般小于1 min。设备较简单并灵活，操作简便，启动和关机时间仅需几分钟，因此FIA技术不仅适于大批量的常规分析，也适于少量非常规样品的自动测定。,FIA是一种良好的微量分析技术，一般每次测定仅需25100 L样品溶液。由于样品与试剂用量甚微，又在封闭系统中完成测定，因此极大地降低了对人体的毒害和对环境的污染。现代分析化学的发展趋势是向现场、实时、动态、高灵敏度、高选择性、高通量的方向发展！1990s初期发展起来的微全分析系统(微流控芯片、生物芯片和芯片实验室)为实现上述目标提供了可能性。,7.2流动注射分析,7.2.1 流动注射分析的基本原理7.2.1.1 受控扩散和定时重现样品被注入到试剂载流后，式样塞有矩形浓度轮廓。当样品在载流载带下通过管道移动时，就发生带展宽或扩散。展宽区带的形状由两种作用决定：对流和扩散（径向和轴向）。,图7.1 对流和扩散作用(a)无分散；(b)对流引起的分散；(c)对流和径向扩散引起的分散；(d)径向扩散引起的分散,7.2.1.1 受控扩散和定时重现流动注射分析常在对流和径向扩散两种分散共存的情况下进行。当样品通过流通池时，检测器所记录的是连续变化的信号，可以是吸光度，电极电势或其他物理参数，因而不需要达到化学平衡。,例如，以分光光度法测定Cl-，所基于的反应是：,图7.2 流动注射测定Cl-(a)流路设计图；(b)5-75 gmL-1的平行测定；(c)30 gmL-1和75 gmL-1样品的快速扫描。,这些实验清楚地显示了FIA的基本特点：在样品通过分析流路时，以完全相同的方法顺序处理所有的样品。即对一个样品如何处理，对其他任何样品也以完全相同的方法进行处理。流动注射体系中准确体积样品的注入、重现和精确的定时进样以及从注入点到检测点体系的完全相同的操作（所谓控制或可控分散），形成注入样品的浓度梯度，从而产生瞬间的、但可精确重现的记录信号，使得流路中的任何一点都能像稳态一样准确测量。一般用峰值作为分析信号，可以获得较高的灵敏度。受控扩散和定时重现是流动注射分析(FIA)的基本特点！,7.2.1.2 分散系数为了合理地设计FIA体系，需要知道原始样品溶液在它流到检测器的途中稀释的程度，以及从样品注入到读数消耗了多长时间。定义分散系数(dispersion coefficient,D)为D c0/c(D 0)(7.1)式中c0为注入样品中分析物的浓度，c为检测器中分析物的浓度。这里D仅考虑了分散的物理过程；但应该强调的是：任何FIA峰都是两种过程同时发生的结果：区带分散的物理过程与样品和试剂间发生化学反应过程。,分散系数主要受三种相互作用且可以控制的变量的影响，即样品体积、管的长度和流动速度。可用染料来测定D。设计FIA体系时，需根据实验目的综合考虑各种因素的影响，以确定最佳流路。例如，建立的FIA系统是用于常规大批量分析的，那么提高分析速度、增加进样频率就是要考虑的主要方面，就应当减少进样体积，缩短管长，提高流速。,分散系数大致可分为4种情况：有限的（D=13）、中度的（D=310）、高度的（D10）以及减小的（D1）。相应设计的FIA体系已被用于各种各样的分析任务。当注入的样品以未被稀释的形式被运载到检测器时，采用的是有限分散，也就是将FIA体系用作将样品严格而准确地运载到检测装置（如离子选择电极、原子吸收分光光度计等）的工具。当待测物必须与载液混合并发生反应，以形成要检测的产物时采用中度分散。只有当样品必须被稀释到测量范围内时才应用高度分散。减小的分散意味着检测的样品浓度高于注入的样品浓度，即发生了在线预浓缩（例如通过离子交换柱或经过共沉淀等）。,7.2.2 流动注射分析仪的基本组成FIA仪一般由流体驱动单元、进样阀、反应管道和检测器组成。,在流动注射体系中，最常见的是用蠕动泵驱动溶液。图7.3表明了蠕动泵的操作原理。蠕动泵一般都有810个排列成圆圈的滚轴，通过转动的滚轴将液体压进塑料或橡胶管。流速由马达的转速和管子的内径控制。若固定蠕动泵的旋转速度,流速就由每个管子的内径决定。商品化的管子具有0.254mm的内径，允许流速最小为0.0005 mL/min，最大为40 mL/min。蠕动泵可以进行几个管子的同时操作，特别适于应用多种试剂但又不能预先混合的情况。FIA也可以用活塞泵，但价格较贵，且只允许单流路传送，对于多路管线，则需几个单独的泵。,7.2.2.1 流体驱动单元,图7.3 单管路蠕动泵示意图,7.2.2.2 进样阀进样阀(valve for injection)又称采样阀、注入阀或注射阀。用得最多、且效果最令人满意的是类似于高效液相色谱（HPLC）中所用的旋转式六通阀。注入样品的体积可以为5 200 L，典型的是1030 L，用具有适当长度和内径的外部环管计量。这种“塞式”注入的进样方式对载流流动干扰很小，取样和注入过程均可精确重复。,7.2.2.3 反应管道在FIA管线中所用的导管多数是由细孔径的聚乙烯管和聚四氟乙烯管组成，典型的内径为0.50.8 mm。反应管道(reaction pipeline)通常是盘绕着的，可以增强径向扩散、减小轴向扩散，减弱试样塞增宽的程度而导致更对称的峰，获得较高的灵敏度，而且可以提高进样频率。如果在反应管道内填充直径为管道内径60%的玻璃球，则称为单珠串反应器，用这种管道可以得到十分对称的峰形，而分散程度比同规格内径的敞口直管反应器的分散度小10倍。为了连接管道，并使液流按需要分支或集合，经常使用被称为“化学块”或“功能组合块”的装置。在“化学块”的管道连接处可以产生“径向效应”，使试样与试剂有效地混合，因而提高进样频率和分析灵敏度。,7.2.2.4 检测器FIA实际上可以与任何类型的检测器(probe unit)相匹配,这也是FIA取得很大成功的原因之一。例如AAS、AES、分光光度计、荧光光度计、电化学系统、折射仪等。带流通式液槽的分光光度计检测器是FIA中用得最多的。流通池和一般吸收池的区别在于：流通池是动态测定，吸收池是静态测定。除了为获得一定的灵敏度而要求有足够的光程外，还要求流通池体积尽可能小，以便减少载流量、试剂量、试样量，并提高分析速度。在液体流通的区域内要避免死角，以避免试样残余液滞留于死角区影响重现性，或截留气泡而干扰测定。下图为两种常用的玻璃或石英流通池。然而，用泵输送载流通过分光光度计的做法远不如把光束从分光光度计引入流动注射分析系统，然后再返回光度计更为合理。因而在最近的设计中，广泛地使用了光导纤维。这样，可以将流通池和微管道结合在一起，进行吸光度测定或荧光检测。,图7.4 发光光度法中的流通池(a)固定在多数商品光度计上的Hellma池；(b)Z型池，其中A为透明窗，并为聚四氟乙烯池体，C为池套，CH为入口通道。,图7.5 离子选择性电极流通池(a)射流壁式结构流通池；(b)梯流式结构流通池,7.2.3 FIA技术与应用7.2.3.1 用于重复的和精确的样品传送（有限分散的应用）由于FIA固有的严格定时性，可以用此项技术将给定的样品精确而重复地传递到检测器，从而保证每一个测量循环过程中所有的条件严格保持一致。例如，当火焰原子吸收光谱、原子发射光谱或电感耦合等离子体原子发射光谱与FIA结合时，样品的等分试样被直接吸入火焰或等离子体,这些分析仪器的性能就会获得改善，且在某些情况下被大大加强。与传统的样品溶液吸入法相比，可以提高进样频率，进样速率可达300样/h。更重要的是，在一般吸入一个样品的时间内可以分别注入两份样品，这意味着FIA法不仅能提高精度，也能改善准确度。另一个优点是样品与检测器接触的时间非常短，其余的时间可以用载液清洗检测器。这意味着有高的清洗-进样比，因此可以大大地减少或消除由高浓度盐造成的燃烧器堵塞的机会。,7.2.3.2 FIA转换技术（中度分散的应用）FIA转换技术(conversion techniques)可以被定义为：借助适当的样品预处理、试剂生成或基体改性，通过动力学控制的化学反应使不能被检测的物质转化成可被检测的成分的过程。在这类FIA体系中，分散应当足够快，以使样品和试剂部分混合，发生反应，但又不过度分散，以免不必要的稀释待测物，使检测灵敏度降低。多数FIA步骤是基于中度分散，因为待测物必须经历某种形式的智能“转化”。,说明此方法应用的例子是在临床化学中有意义的硫氰酸盐的测定。除了吸烟者外，存在于人体的硫氰酸盐浓度是极低的。硫氰酸盐在人体中的半衰期大约是14天，因此通过体液（唾液、血液和尿液）分析就很容易区别吸烟者和非吸烟者。一个测定硫氰酸盐的快速而简便的FIA方法是基于以下的反应：产物生成迅速，摩尔吸光系数很高，但随后就褪色，寿命约10s。因此在生色最大的那一刻读数很重要。所用的FIA系统示于图7.6。样品（50 L唾液）被注入到水载流中，随后与试剂5-Br-PADAP2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚合并，再和氧化剂重铬酸钾合并，最终的混合体系中酸的浓度约为2mol/L。由于FIA可重现的定时性，故可定量检测亚稳态的有色产物。,图7.6 用于测定亚稳态反应产物的FIA流程图,图7.7 用图7.6所示的FIA系统获得到硫氰酸盐信号,在FIA系统中可以通过多相转换技术提高分析测定的选择性。例如把气体扩散、渗析、溶剂萃取、离子交换或固定化酶等操作与管线步骤结合，以便将样品成分转变成可检测的物质。自从1975年第一篇FIA论文发表以来，流动注射分析这一新颖而独特的分析方法在环境监测、地质冶金、临床医学、农业、林业等诸领域得到了广泛的应用。它的精确控制几乎适于任何分析领域，它的灵活设计组装使其功能可以无止境地发展。,作业 7：如何定义FIA中的分散系数D，对于给定的FIA体系如何测定D?,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。,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。,Microfluidic chip,Sample preparationMass transportMixingReactionSample injectionSeparationDetection,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的最新成果的利用。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！,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！,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,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。,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10200L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！,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的迅速崛起为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的发展潜力。随后，科学家们迅速把TAS的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。,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 group1995年Mathies group1995年 Caliper Technologies 公司1995年Whitesides group1999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2001年中国自然科学基金委启动第一个重大研究计划,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。,表7.1,图7.9(a)典型的微流控芯片(b)典型的微阵列(生物)芯片,Microarray(Bio)Chips,Sample preparationMass transportMixingReactionSample injectionSeparationDetection,Microfluidic chips,Structure：microchannel networkfunctions：all functions of an analytical Lab,Microfluidic chip,Main functions:,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。,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。,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。,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。,(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？,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。,Microfluidic chip,silicon、glass and quartzpolymers,microlithography chemical etchingmodling proceduremicrocontact printing thermopresssoft lithography(DRIP,SFB,ECR),Materials,Fabrication tech,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。PDMS：（1）能可逆和重复变形而不发生永久性破坏；（2）能用模塑法高保真地复制微流控芯片；（3）能透过300nm以上的紫外和可见光；（4）耐用且有一定的化学惰性；（5）无毒、价廉。,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。,图7.10 光刻和蚀刻的基本工序,光刻和蚀刻技术是由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成。,薄膜沉积：光刻前先要在基片上覆盖一层薄膜，厚度为数埃到几十微米，这一工艺工程称为薄膜沉积（氧化、化学气相沉积蒸发和溅射等）。在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光胶。光刻：将掩膜上微流控芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层上的工艺工程称为光刻（涂覆光胶、光刻机通过曝光将掩模上光胶转移到光胶层、显影液溶解）。蚀刻：将光胶层上的平面二维图形转移到薄膜上并进而在基片上加工成一定深度微结构的工艺（湿法蚀刻和干法蚀刻）。通过选用适当的刻蚀剂，使它对光胶、薄膜和基片材料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所需要的微结构。复杂的微结构可通过多次重复薄膜沉积-光刻-蚀刻这三个工序来完成。,光刻掩膜的制备光刻掩膜的基本功能是当光线照射其上时，图形区和非图形区对光线的吸收和透射能力不同。如下图所示。,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”（soft lithography）。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。,图7.11 模塑法复制弹性印章,制作弹性印章的最佳材料是PDMS。采用光刻等技术先制得有关微结构的母模，用模塑法在其上浇注PDMS，固化剥离得到表面精细图形的弹性印章。表面自由能低，化学性质稳定，与其他材料不黏连；与基片正交接触严密，容易取模；柔软，易变形，弹性好，可在曲面上复制微图形。,7.4.5微流控分析系统中微流体的驱动和控制微流控芯片分析系统在结构上的主要特征是各种构型的微通道网络，通过对通道内流体的操控，完成芯片系统的分离分析功能。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。根据实现微流体控制时使用方法的不同，基本微流控技术可分为：驱动（微泵）控制、微阀控制、芯片微通道构型控制和通道表面性质控制。,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,两种芯片毛细管电泳芯片结构,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。,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。,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,96-channel radial capillary array electrophoresis microplate,Y.Shi et al.Anal.Chem.,1999,71,5354,Reactions in droplets in microfluidic channels,Reactions in droplets in microfluidic channels,Ismagilov et al.,Angew.Chem.2006,Quake,Science,2005.,Radiolabeled Imaging Probe Synthesizer,Quake,Science,2005,作业 8：简单阐述为什么微全分析系统是分析化学的发展趋势？软光刻技术的优点是什么？,第八章,Case Study,8.1导言8.2定量分析的流程8.3Two cases studies,8.1 导言,杂乱无章、无从下手典型的定量分析流程七个步骤,8.2定量分析的流程,步骤一：选择方法（1）分析精确度（精度确与时间、投入的综合考虑）（2）样品的数量（多与少的关系）（3）样品的复杂程度等（组分数等）步骤二：获取样品 代表性（特别是非均匀的样品及生物样品），分析测定 的可靠性很大程度上与取样有关步骤三：样品制备 不同的样品有不同的方法（大多数情况下，需要进行 样品制备（哪些分析化学技术不需要样品制备？）,步骤四：消除干扰步骤五：校正和测量浓度步骤六：计算结果步骤七：估算结果的可靠性,8.3.1 A case study,Deer Kill:A case study illustrating the use of analytical chemistryTo solve a problem in toxicology,问题,问题的提出在Kentucky西部的国家野生动物保护区，一护林员在一个小池塘边发现了一只死的白尾巴鹿！他将该发现上报，州动物诊断实验室的一名化学家与他一起调查鹿的死因；随后几天他们又发现两只死鹿。他们注意到附近的草变色了，怀疑是附近用了农药，可能是含有砷的农药。他们将死鹿运回实验室，并采集了附近的草样品。目的：通过分析样品，确定砷的存在及其形态和浓度。从而查明鹿死亡的原因，保护其他的鹿或动物。,选择方法：查阅Offical Methods of Analysis(Association ofOffical Analytical Chemists,AOAC)，发现生物样品中砷的分析方法：通过蒸馏将三氧化二砷转化为氢化砷（AsH3），采用光度法进行测定。获取样品：他们在实验室中将死鹿进行解剖，取肾（被怀疑的毒素砷主要存在于肾）。样品制备：将肾切碎、高速搅拌机中打碎、混合均匀；制备实验室分析样品（10克，从每个死鹿）及重复测定样品。将样品放入坩锅中加热，使有机组织转化为水和二氧化碳。剩余的干灰中可能含有As2O5，加入HCl后，转化为可溶解的H3AsO4。,消除干扰：将H3AsO4转化为AsH3，可以消除干扰。测定浓度：采用光度法进行测定。,计算结果：16和22ppm(10 ppm)；600ppm（草含有砷）估算数据的可靠性：进行三次以上测定。,8.3.2.Case study II-DNA 测序,1953Waston and Crick 报到了DNA的结构，阐明了其作为储存遗传信息的中心作用。,James D.Watson and Francis Crick who,using x-ray data collected by Rosalind Franklin,proposed the double helix structure of the DNA molecule in 1953.Their article,Molecular Structure of Nucleic Acids:A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,is celebrated for its treatment of the B form of DNA(B-DNA),and as the source of Watson-Crick base pairing of nucleotides.They were,with Maurice Wilkins,awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1962.According to legend,as they walked into the Eagle pub in Cambridge Crick announced,We have found the secret of Life.,8.3.2.1 DNA测序技术-测序目的测定未知序列确定重组DNA的方向与结构对突变进行定位和鉴定比较研究人类基因组计划（HGP,1990年提出，到2005年完成！）,参考文献：How Capillary Electrohporesis Sequenced the Human GenomeN.Dovichi and J.Zhang,Angew.CHem.Int.Ed.,2000,39,443Human Genome Project:How Analytical Chemists Savedor at least gave a helping hand.Analytical Chemistry,Jan.1,2002,8.3.2.2 DNA测序技术-发展历史 DNA sequencing technology，在分子生物学研究中，DNA的序列分析是进一步研究和改造目的基因的基础。目前用于测序的技术主要有Sanger等（1977）发明的双脱氧链末端终止法和Maxam和 Gilbert（1977）发明的化学降解法。这二种方法在原理上差异很大，但都是根据核苷酸在某一固定的点开始，随机在某一个特定的碱基处终止，产生 A，T，C，G四组不同长度的一系列核苷酸，然后在尿素变性的PAGE胶上电泳进行检测，从而获得DNA序列。Sanger 与Gilbert 于1980年因发展DNA测序的分析方法而获得化学Nobel奖。,70年代末，Walter Gilbert发明化学法、Frederick Sanger发明双脱氧终止法手动测序，同位素标记80年代中期，出现自动测序仪（应用双脱氧终止法原理）、荧光代替同位素，计算机图象识别90年代中期，测序仪重大改进、集成化的毛细管电泳代替凝胶电泳2001年完成人类基因组框架图2003年完成人类基因组图(?),8.3.2.3 分析化学的贡献如何在15年内完成人类30亿碱基对的测序，在当时对于谁来讲，都是头疼和棘手的事！关键问题是速度！人类基因组计划（HGP）的提前完成是分析化学在解决生命科学重大问题应用的一个非常典型的例子。1990年所提出的HGP计划目标是准备花费30亿美元，在2005年完成人类30亿碱基对的序列测定。事实上，1986年就已经有自动化的DNA测序仪，但其速度无法使HGP计划在2005年完成。如何提高速度，发展高通量的DNA测序仪器就成为该计划的重中之重。,分析化学家们抓住了机会，在1999年研制出商品化的高通量DNA测序仪（Applied Biosystems公司的Model 3700 DNA sequencer），从而使该计划在2001年提前完成。该高通量DNA测序仪是各种分析化学方法和技术联用的结晶，它集合了毛细管电泳（CE）、阵列CE、激光诱导荧光、DNA荧光标记、多通道荧光检测、可更新CE柱材料等分析化学方