第七章自动分析技术微型全分析系统.pptVIP

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！第30页，共63页，星期日，2025年，2月5日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(segmentedcontinuousflowanalysis,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！第31页，共63页，星期日，2025年，2月5日图7.8SCFA系统示意图(a)和FIA系统示意图(b)S试样；A空气；R试剂；CR载液第32页，共63页，星期日，2025年，2月5日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(1mm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。第33页，共63页，星期日，2025年，2月5日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10mL水平降低到10－200?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(Integratedmicroconduitsystems,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！第34页，共63页，星期日，2025年，2月5日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