微流控芯片論文

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1、微流控芯片中的分離與富集姓名：鄒振學(xué)號(hào)：S10222012專(zhuān)業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程（湖南大學(xué)化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082）摘要本文綜述了微流控芯片中的分離與富集的方法。這些技術(shù)的發(fā)展也為試樣前處理的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的機(jī)遇。與常規(guī)分離技術(shù)相比，微流控芯片分離技術(shù)由于具有較大的比界面面積和較短的擴(kuò)散距離，因而系統(tǒng)具有較高的分離效率和較快的分析速度。而最近一些基于場(chǎng)效應(yīng)的微流控分離富集分析系統(tǒng)的建立，更為微流控芯片中的分離與富集提供了新的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞微流控芯片分離富集多相層流場(chǎng)效應(yīng)自1990年由瑞士的Manz和widme提出微全分析系統(tǒng)[1]的概念以來(lái)，微流控

2、分析技術(shù)到現(xiàn)在十幾年的時(shí)間里己經(jīng)取得了極大的發(fā)展?！拔⑷治鱿到y(tǒng)”或“芯片實(shí)驗(yàn)室”是指通過(guò)化學(xué)分析設(shè)備的微型化與集成化，最大限度地將分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到便攜設(shè)備中，甚至集成于方寸大小的芯片上。這就對(duì)試樣的前處理步驟提出了較高的要求，需要對(duì)微量的試樣自動(dòng)完成檢測(cè)前的前處理操作，如混合[2]、反應(yīng)[3]、分離(如液-液萃取[4-7]、固相萃取[8-9]、過(guò)濾[10]和滲析[11]等)、濃集、稀釋等。微流控技術(shù)的發(fā)展也為試樣前處理的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的機(jī)遇。在微系統(tǒng)通道中，出現(xiàn)一系列不同于宏觀體系的尺度效應(yīng)，如微通道中表面張力的影響遠(yuǎn)大于重力因素，基于擴(kuò)散的傳質(zhì)效應(yīng)顯著等，在微通道內(nèi)流體總是表現(xiàn)為

3、穩(wěn)定的層流狀態(tài)，以及較短的擴(kuò)散距離和擴(kuò)散時(shí)間。這些不同于宏觀體系的特點(diǎn)，導(dǎo)致了許多不同于常規(guī)方法的微流控?zé)o膜分離技術(shù)的產(chǎn)生，如無(wú)膜液-液萃取和無(wú)膜多相層流分離技術(shù)。與常規(guī)分離技術(shù)相比，微流控芯片分離技術(shù)由于具有較大的比界面面積和較短的擴(kuò)散距離，因而系統(tǒng)具有較高的分離效率和較快的分析速度。1.微流控芯片的多相層流無(wú)膜擴(kuò)散分離1.1多相層流擴(kuò)散芯片構(gòu)型利用多層流不但可以實(shí)現(xiàn)小分子、離子與大分子、微粒之間的分離，若采用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方式，還可以在分離的同時(shí)直接進(jìn)行檢測(cè)。Yager[5]等提出了H-過(guò)濾系統(tǒng)和T-傳感器兩種系統(tǒng)，前者用于試樣的進(jìn)化、提取，后者在試樣的進(jìn)化、提取同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)及測(cè)定。另外還有“

4、Y”型[12],以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)型[13-15]、二維通道[16-17]、三維通道[18]等。圖1為H-過(guò)濾系統(tǒng)，由試樣流和接受流組成，在重力或微注射泵的推動(dòng)下，接受液和試樣液分別從各自的進(jìn)樣口進(jìn)入并會(huì)合于主通道，以肩并肩生物方式平行流過(guò)主通道。由于小分子擴(kuò)散快，大分子和微粒擴(kuò)散慢，因此，在一定時(shí)間內(nèi)只有小分子物質(zhì)可以擴(kuò)散進(jìn)入接受液（被接受液提?。?，最后可分別在流出口處收集含提取物的接受液和除去提取物后的試樣液。圖1.H-過(guò)濾系統(tǒng)如圖2（a）所示，在T-傳感器[5]中，試樣液和試劑溶液(如酸堿指示劑[19]、熒光標(biāo)記試劑[20]、抗體[21-25]等)在重力或微注射泵的推動(dòng)下，從各自的進(jìn)樣口進(jìn)入

5、并會(huì)合于主通道，以肩并肩生物方式平行流過(guò)主通道。由于小分子擴(kuò)散快，大分子和微粒擴(kuò)散慢，試樣中的待測(cè)組分如H離子，鈉離子等小分子，快速進(jìn)入試劑相并在界面發(fā)生反應(yīng)，利用兩相界面間試劑顏色的變化等，可定量測(cè)定待測(cè)組分的含量。（a）（b）圖2.（a）T-傳感器;（b）用于細(xì)胞裂解和胞內(nèi)成分分析的芯片1.2多相層流無(wú)膜分離技術(shù)的特點(diǎn)（1）利用多相層流內(nèi)物質(zhì)間擴(kuò)散速度的差異，實(shí)現(xiàn)小分子、離子與大分子、微粒的分離，因此對(duì)于混濁液和復(fù)雜試樣如血，可不必進(jìn)行離心、過(guò)濾等預(yù)分離而直接進(jìn)行檢測(cè);（2）檢測(cè)反應(yīng)可在擴(kuò)散的界面進(jìn)行，也可在多相層流分離的下游通道內(nèi)進(jìn)行;（3）多相層流間的擴(kuò)散可給出關(guān)于流速、試樣粘度、試樣

6、濃度、分子量等信息，據(jù)此可建立測(cè)定試樣中待測(cè)組分的濃度、擴(kuò)散系數(shù)、分子量和流體粘度的分析方法;（4）可實(shí)現(xiàn)多相層流操作的多路并行分離分析，在單一通道中分離分析兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同試樣。也用參比液與試樣液平行地在同一通道中流過(guò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自參比，消除由于流體、幾何形狀、溫度、檢測(cè)器光源等變化而引起的誤差。（5）層流擴(kuò)散主通道既是分離通道又是檢測(cè)通道，在流體流動(dòng)方向的不同位置測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度可提供有關(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的信息.。2.微流控芯片中的液-液萃取分離液一液萃取又稱(chēng)溶劑萃取，是利用物質(zhì)在互不相溶的兩相中分配比不同而達(dá)到分離的目的。在宏觀體系中，液一液萃取通常是將有機(jī)溶劑(即萃取劑)和含有待分離組分的試

7、樣水溶液振蕩混合，使兩相充分接觸，試樣中的分析物就會(huì)在兩相之間進(jìn)行分配。分配達(dá)到平衡后，利用兩相密度差異將有機(jī)相與水相分層分離。通常把物質(zhì)從水相進(jìn)入有機(jī)相的過(guò)程稱(chēng)為萃取，而相反的過(guò)程稱(chēng)為反萃取。萃取分離法的優(yōu)點(diǎn)是分離效果好;通過(guò)多次萃取，可以達(dá)到很高的回收率;萃取所需設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，適用范圍廣。它不僅適用于常量組分的分離，也適用于微量組分的分離濃集;不僅適用于實(shí)驗(yàn)室少量試樣的分離，而且適用于工