微全分析系统.pptVIP

* * 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 preparation Mass transport mixing reaction Sample injection separation detection 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必威体育精装版成果的投入。 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！ 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