摘要

微芯片電泳具有檢測(cè)迅速、易于便攜化、消耗試劑少等優(yōu)點(diǎn),成為離子檢測(cè)諸多手段中的熱門方法。本文在介紹微芯片電泳原理的基礎(chǔ)上,從微芯片電泳的結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝、表面改性、實(shí)驗(yàn)方法及其在離子檢測(cè)中的應(yīng)用等多個(gè)方面進(jìn)行了綜述,并對(duì)存在的問題以及未來的研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1引言

離子檢測(cè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤養(yǎng)分管理、醫(yī)療檢測(cè)等方面具有重要的作用和意義。測(cè)量水體與陸地環(huán)境中的養(yǎng)分離子、重金屬離子的含量對(duì)治理富營(yíng)養(yǎng)化與重金屬污染具有重要意義。血液及尿液中某些離子的濃度是衡量身體是否健康的指標(biāo)之一。如何快速、簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)離子檢測(cè)一直是相關(guān)的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的離子分析方法一般在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行,存在檢測(cè)成本高、周期長(zhǎng)、功能單一等缺點(diǎn),在很大程度上阻礙了離子檢測(cè)技術(shù)的普遍應(yīng)用。多種新的離子檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生，其中微芯片電泳技術(shù)以檢測(cè)迅速、易于便攜化、可同時(shí)檢測(cè)多種離子、消耗試劑少等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。

20世紀(jì)90年代,Manz等首先提出了微全分析系統(tǒng)的概念,將實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的生物、化學(xué)等方面的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)壓縮到一張芯片上進(jìn)行,這一概念的提出掀起了微芯片電泳的研究熱潮。2001年,Guijt等提出了非接觸電導(dǎo)檢測(cè)法,該方法避免了檢測(cè)電極的腐蝕并降低了分離高壓對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響,進(jìn)而延長(zhǎng)了檢測(cè)電極的使用壽命,提高了檢測(cè)精度,它的提出是微芯片電泳技術(shù)的另一個(gè)里程碑。

如圖1A所示,一個(gè)微芯片電泳系統(tǒng)主要由微芯片、分離高壓、信號(hào)發(fā)生與采集模塊以及信號(hào)后處理模塊構(gòu)成。圖1A和1B是傳統(tǒng)微芯片電泳的進(jìn)樣與分離示意圖,首先從微芯片的1端口將緩沖液注入到芯片的所有通道內(nèi),緩沖液的作用是緩解高壓電場(chǎng)下溶液特性的改變,如pH值、導(dǎo)電性等;然后從3端口通過電動(dòng)進(jìn)樣或壓力進(jìn)樣的方法注入待測(cè)樣品液;開啟c信號(hào)發(fā)生與采集模塊,對(duì)檢測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);1、2端口施加直流高壓,溶液中的離子由于電滲流及電泳的作用，會(huì)沿著水平通道遷移并分離。圖1C是電滲流及電泳作用下的離子運(yùn)動(dòng)示意圖。按照雙電層理論,固液兩相接觸時(shí),會(huì)在靠近固體的水溶液中形成雙電層,即緊密層與擴(kuò)散層,所謂電滲流是指在電場(chǎng)作用下擴(kuò)散層中離子定向移動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)流體進(jìn)行塊狀運(yùn)動(dòng);而電泳是指帶電粒子在電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng),離子的運(yùn)動(dòng)是電滲流與電泳作用下的合運(yùn)動(dòng)。不同離子的運(yùn)動(dòng)速度是不同的,可以根據(jù)離子到達(dá)檢測(cè)電極處的時(shí)間判斷離子的種類。對(duì)于電導(dǎo)檢測(cè)法而言,檢測(cè)區(qū)設(shè)置了檢測(cè)電極,當(dāng)溶液中離子流經(jīng)電極處時(shí),檢測(cè)到的電導(dǎo)值會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而根據(jù)電導(dǎo)值的變化量得出離子的濃度。

本文在介紹原理的基礎(chǔ)上,總結(jié)了近年來微芯片電泳的研究進(jìn)展,從結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝、表面改性、實(shí)驗(yàn)方法及其在離子檢測(cè)中的應(yīng)用等多個(gè)方面對(duì)微芯片電泳進(jìn)行了綜述,討論了目前存在的問題及未來的發(fā)展方向,以期為后續(xù)的研究提供參考與借鑒。

圖1微芯片電泳檢測(cè)原理。(A)微芯片電泳系統(tǒng)框圖,a-微芯片,b-分離高壓,c-信號(hào)發(fā)生與采集模塊,d-信號(hào)后處理模塊;(B)傳統(tǒng)微芯片電泳進(jìn)樣與分離示意圖;(C)電滲流及電泳引起的離子運(yùn)動(dòng)示意圖,veo-電滲流引起的運(yùn)動(dòng),vep-電泳引起的運(yùn)動(dòng)Fig.1Principleofmicrochipelectrophoresis.(A)Blockdiagramofmicrochipelectrophoresis(ME)system,a-microchip,b-separationhighvoltage,c-signalsendingandacquisitionmodule,d-signalprocessingmodule;(B)Diagramofsampleinjectionandseparationfortraditionalmicrochip;(C)Movementofionscausedbyelectrosmoticflow(EOF)andelectrophoresis,veo-movementcausedbyEOF,vep-movementcausedbyelectro-phoresis

2結(jié)構(gòu)

Manz等于1990年提出的微全分析系統(tǒng)由進(jìn)樣、樣品傳輸、樣品預(yù)處理以及檢測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成,這一概念的提出為微芯片電泳的發(fā)展提供了方向。之后又于1992年提出了微芯片電泳的結(jié)構(gòu)雛形，在玻璃基底上刻蝕出兩個(gè)相交的通道,分別采用電動(dòng)進(jìn)樣與電泳分離的方法實(shí)現(xiàn)了待測(cè)樣品的注入與分離。2001年,Guijt等提出了基于非接觸電導(dǎo)檢測(cè)的微芯片結(jié)構(gòu),在檢測(cè)電極上覆蓋了SiC薄層,避免了檢測(cè)電極的腐蝕并降低了分離過程中高壓對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。自此,微芯片電泳-電容耦合非接觸電導(dǎo)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)以此為原型衍生發(fā)展開來。根據(jù)通道層與檢測(cè)電極層的裝配關(guān)系,可將電泳微芯片的結(jié)構(gòu)分為一體式與外部電極式。

兩種典型的電泳微芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2A是一種電極層與通道層集成一體的微芯片,其通道層與電極層是粘合、不可拆卸的。圖2B是一種外部電極式結(jié)構(gòu)的微芯片,其通道層與電極層是獨(dú)立的,可以根據(jù)需要改變檢測(cè)電極的位置。一體式芯片的加工難度大于外部電極式,對(duì)電極層與通道層的材料有特定的粘合要求,但檢測(cè)精度高;外部電極式芯片的通道層與電極層是獨(dú)立的,使用靈活,然而組裝過程中電極與通道存在對(duì)準(zhǔn)誤差,檢測(cè)精度以及重復(fù)性相對(duì)較差。

圖2兩種典型的電泳微芯片結(jié)構(gòu):(A)一體式結(jié)構(gòu)實(shí)例[17];(B)外部電極式結(jié)構(gòu)實(shí)例[18]Fig.2Twotypicalstructuresofelectrophoresismicrochip:(A)Instanceofintegratedelectrodesmicrochip(IEM)[17];(B)Instanceofexternalelectrodesmicrochip(EEM)[18]

其他研究者根據(jù)各自的需要設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)的微芯片,或改進(jìn)進(jìn)樣方式,或?qū)崿F(xiàn)陰陽(yáng)離子的同時(shí)檢測(cè),或提高檢測(cè)精度,或簡(jiǎn)化制作工藝等,但基本都在上述范疇之內(nèi)。Vazquez等將PDMS通道層與玻璃薄片可逆地粘接在一起,固定在刻有銅電極的PCB板上構(gòu)成EEM芯片。該玻璃薄片既是通道層的組成部分,同時(shí)也起到絕緣層的作用,避免溶液與檢測(cè)電極的接觸。Puchberger-Enengl等在玻璃片上構(gòu)建了Pt電極并覆蓋了絕緣層,進(jìn)而與微通道層粘接在一起構(gòu)成完整的IEM芯片(圖3A)。Gaudry等提出了一種雙通道順序進(jìn)樣的微芯片(圖3B),該芯片采用了平面電極結(jié)構(gòu),即通道層與電極層構(gòu)筑在同一基底上,采用水動(dòng)力“劈開-進(jìn)樣冶的方法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)樣。該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了陰陽(yáng)離子的同時(shí)檢測(cè),而且采用了水動(dòng)力進(jìn)樣使得樣本離子的分布更加均勻。Mahabadi等提出了一種雙上-下C4D電極的微芯片結(jié)構(gòu),大大提高了微芯片電泳的檢測(cè)精度;之后Ansari等基于該微芯片研發(fā)了一種便攜式Lab-on-chip設(shè)備,并有效地檢測(cè)了果汁中的有機(jī)酸、無機(jī)酸以及兔子血樣本、人血清樣本中的離子(圖3C)。其他學(xué)者也分別提出了多種滿足各自功用的芯片結(jié)構(gòu)。當(dāng)前微芯片電泳的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化、功能化的發(fā)展趨勢(shì),隨著更多加工技術(shù)的引入,微芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢(shì)必更加靈活、多樣。

圖3幾種具有代表性的電泳微芯片衍生結(jié)構(gòu):(A)玻璃片基底的一體式微芯片[20];(B)雙通道順序進(jìn)樣的微芯片電泳系統(tǒng)；(C)雙上-下外部電極式微芯片及據(jù)此研發(fā)的Lab-on-chip設(shè)備[22,23]Fig.3Severaltypicalstructuresofelectrophoresismicrochip:(A)Glass-basedIEM[20];Dual-Channelsequentialinjectionmicrochipelectrophoresissystem[21];(C)Microchipwithdualtop-bottomexternalelectrodes[22]andlab-on-chipdevicebasedonit

3材料選擇與制作工藝

不同的材料需采用不同的工藝,微芯片的制作材料通常分為無機(jī)材料和有機(jī)材料。早期的微芯片制造工藝源自于MEMS技術(shù)，硅、石英和玻璃是常用的制作材料,采用光刻、腐蝕等工藝來制作微通道，這類方法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、工藝復(fù)雜。有機(jī)材料的出現(xiàn)為微芯片的制作開啟了一個(gè)新的方向。與無機(jī)材料相比,有機(jī)材料易加工、成本低、加工工藝簡(jiǎn)單。有機(jī)材料可分為熱固性材料和熱塑性材料。熱固性材料以聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane,PDMS)為代表,將PDMS預(yù)聚物與固化劑按照一定比例混合攪勻,倒在刻有微通道的陽(yáng)模上,給予一定的溫度和時(shí)間來完成PDMS的固化,以此實(shí)現(xiàn)通道由陽(yáng)模到PDMS的復(fù)制。熱塑性材料以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)為代表,通常采用熱壓工藝制作微通道，將PMMA材料在一定溫度下壓在預(yù)先制作好的陽(yáng)模上,進(jìn)而制作出所需的微通道。

盡管上述傳統(tǒng)加工工藝為微芯片提供了很好的制作途徑,但依然存在一些不足之處,如陽(yáng)模的制作工藝復(fù)雜、制備環(huán)境要求潔凈室條件等。近年涌現(xiàn)出很多新的微芯片制作工藝,Chagas等采用紙基電極層與PMMA通道層粘合的方法制作了電泳微芯片(圖4A),該方法大大簡(jiǎn)化了制作工藝,降低了成本,并且檢測(cè)限(Limitofdetection,LOD)很低。Junior等采用激光打印技術(shù)制作微通道的陽(yáng)模(圖4B),避免了原先復(fù)雜的陽(yáng)模制造工藝,在一定程度上簡(jiǎn)化了制造工藝。Junior等采用聚醋酸乙烯酯作為光刻膠制備了微通道的陽(yáng)模,該方法不需要在潔凈室條件下進(jìn)行,并且可直接用水替代有機(jī)溶劑對(duì)紫外光照射后的模板進(jìn)行成型。采用乙烯基薄膜制作出掩模板,進(jìn)而采用濕法腐蝕制造了微通道,該方法避免了繁瑣的光刻工藝,提高了加工效率。與此同時(shí),如何快速、便捷地加工出檢測(cè)電極上的絕緣層也是近年來的研究熱點(diǎn)之一。除了常用的SiC、SiO2等材料的絕緣層,很多學(xué)者也嘗試了一些新的絕緣層加工工藝。Liu等采用旋涂稀釋的PDMS的方法在電極上生成了一層0.6um厚的絕緣層,將Na+的檢出限降低到了0.07umol/L;Liu等采用50um厚的PMMA薄膜作為絕緣層制作了微芯片,更為便捷(圖4C)。

電極制備一直都是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域,通常采用Lift-off法，該方法對(duì)設(shè)備與環(huán)境要求高、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。因而很多學(xué)者尋求一些新的方法來制作微芯片的電極,以簡(jiǎn)化加工工藝,降低制作成本。

圖4多種微芯片及電極的制作方法:(A)紙基芯片的制作過程；(B)采用激光打印模板制作微芯片；C)采用PMMA薄膜作為絕緣層的微芯片;(D)聚苯胺電極微芯片[37];(E)低熔點(diǎn)合金電極微芯片;(F)離子溶液電極微芯片[42]Fig.4Fabricationmethodsofseveralmicrochipsandelectrodes:(A)Fabricationprocessingofpaper-basedmicrochip[30];(B)Microchipmadefromlaser-printedmaster[31];(C)Microchipusingpolymethylmethacry-late(PMMA)filmasinsultinglayer[35];(D)Microchipusingpolyaniline(PANI)aselectrodes[37];(E)Microchipusinglowmelting-pointalloyaselectrodes[40];(F)Microchipusingionicsolutionsaselectrodes

Henderson等采用激光打印的方法在PMMA基底上打印了一層聚苯胺(Polyaniline,PANI)作為電極(圖4D),將電極的制作成本降低了20倍。文獻(xiàn)分別在氧化銦錫覆蓋的導(dǎo)電玻璃和PET上采用刻蝕工藝制作電極,此類方法的共性是在帶有導(dǎo)電層的基底上采用刻蝕工藝去除電極以外的導(dǎo)電材料。另一種電極制作方法比較特別,采用注射的方法制作電極(圖4E),在微通道層上同時(shí)加工了電極通道,將低熔點(diǎn)的合金或金屬在合適的溫度下(低于材料的玻璃化溫度且高于電極材料的熔點(diǎn)溫度)注入到電極通道中。類似地,Junior等選用離子溶液作為導(dǎo)電材料注入通道中構(gòu)建電極(圖4F)。此外,采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)也可以很方便地制作電極，該方法不需要昂貴的設(shè)備、耗時(shí)短、成本低。

降低成本、簡(jiǎn)化制作工藝、減少耗時(shí)是當(dāng)前微芯片的發(fā)展趨勢(shì)。然而要實(shí)現(xiàn)微芯片電泳技術(shù)的普通應(yīng)用,如何批量化地制作出一致性好的微芯片也是不容忽視的研究方向。

4表面改性

PDMS與PMMA由于成本低、易加工、性能穩(wěn)定,得到廣泛應(yīng)用。PDMS是一種疏水材料,水接觸角在100毅~110毅之間。PDMS固有的疏水性使得在微通道中注入液體變得困難,同時(shí)還出現(xiàn)會(huì)氣泡堵塞于微通道中無法排除的情況。此外,其較弱的EOF遷移率增加了離子分離的時(shí)間。PMMA材質(zhì)的微芯片一般采用熱壓鍵合的方法制作而成,由于材料的熱塑性,在熱壓的過程中微通道會(huì)坍塌變形,這對(duì)于芯片的制作是不利的。研究者們提出了一系列方法以改善有機(jī)材料的表面特性,即表面改性。等離子體處理(Plasmatreatment)與表面涂覆(Surfacecoating)是常用的表面改性方法。

等離子體處理是指在高壓電場(chǎng)下生成的離子、電子、自由基以及各種活性基團(tuán)(統(tǒng)稱為等離子體)在物質(zhì)表面生成自由基、官能團(tuán)以及引發(fā)接枝聚合,進(jìn)而改變物體的表面特性。該方法可以極好地提高有機(jī)材料表面的親水性,但改性效果持續(xù)時(shí)間很短,在數(shù)小時(shí)后就會(huì)回復(fù)到起始狀態(tài)。因此很多研究者在等離子體處理的基礎(chǔ)上輔以其它方法來彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。Long等采用聚乙二醇(Polyethyleneglycol,PEG)涂覆與氧等離子體(O2plasma)處理相結(jié)合的方法對(duì)PDMS表面進(jìn)行改性(圖5A),將PDMS的親水狀態(tài)維持102h。Bashir等采用等離子體聚合丙烯酸(Plasmapolymerizedacrylicacid,PPAA)法將PDMS從疏水狀態(tài)變?yōu)橛H水狀態(tài)(圖5C)。如圖5D所示,Park等采用溶膠-凝膠工藝實(shí)現(xiàn)了PDMS微通道空間控制的二氧化硅涂覆,將PDMS的水接觸角降低至76毅,并將EOF遷移率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。去甲腎上腺素是一種神經(jīng)遞質(zhì),也可以對(duì)PDMS表面進(jìn)行改性,Chen等利用去甲腎上腺素將PDMS的水接觸角降低至13毅。表面涂覆也可以改善PDMS的親水性,活性聚乙烯基硅氮烷(Polyvi-nylsilazane,PVSZ)(圖5B)、聚丙烯酸(Poly(acrylicacid),PAAc)等多種表面涂覆材料可以很好地改善PDMS的表面特性。

其他學(xué)者對(duì)PMMA的改性也做了很多工作。Yu等采用氧等離子體處理以及聚乙烯醇(Polyvi-nylalcohol,PVA)涂覆的方式實(shí)現(xiàn)PMMA芯片的低溫鍵合。類似于PDMS,表面涂覆也可以對(duì)PMMA產(chǎn)生很好的改性效果,甲基纖維素(Methylcellulose,MC)、聚乙烯吡咯烷酮(Poly(vinylpyrrolidone),PVP)以及羥丙基甲基纖維素((Hydroxypropyl)methylcellulose,HPMC)(圖5E)也是很好的表面涂覆材料。

表面改性消除了PDMS管道進(jìn)樣困難、氣泡堵塞問題,提高了EOF遷移率,進(jìn)而提高了電泳分離速度,同時(shí)也降低了PMMA的鍵合溫度,減少了PMMA制作過程中的管道變形。然而現(xiàn)有的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段,很多方法的實(shí)用性并不強(qiáng),改性特性不穩(wěn)定、涂覆材料粘附性不足、工藝繁瑣等缺點(diǎn)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

5實(shí)驗(yàn)方法

目前,微芯片電泳實(shí)驗(yàn)方法比較熱門的兩個(gè)研究方向是進(jìn)樣(Sampleinjection)和預(yù)濃縮(Precon-centration)。

樣品的進(jìn)樣方式在很大程度上決定了檢測(cè)結(jié)果的有效性,如何將樣品精準(zhǔn)地輸入到指定位置是近來年微芯片電泳領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Tsai等通過仿真系統(tǒng)地研究了多種進(jìn)樣方法及其優(yōu)化問題。常用的微芯片通道形狀如圖6所示,有十字交叉結(jié)構(gòu)、Double-T結(jié)構(gòu)以及T型結(jié)構(gòu)。對(duì)于十字交叉結(jié)構(gòu)與Double-T結(jié)構(gòu),一般采用電動(dòng)進(jìn)樣法,它的原理是利用電場(chǎng)作用下芯片中的EOF來推動(dòng)液體的整體移動(dòng),該方法雖然操作方便,但由于電泳力的存在會(huì)使得離子分離,存在檢測(cè)偏差。Double-T結(jié)構(gòu)相對(duì)于十字交叉結(jié)構(gòu),增加了進(jìn)樣通道與分離通道交叉位置處的樣品量進(jìn)而提高了檢測(cè)精度。對(duì)于這兩種結(jié)構(gòu)常用的電動(dòng)進(jìn)樣方法有有十字進(jìn)樣法、回流進(jìn)樣法、Double-L進(jìn)樣法等。對(duì)于T型結(jié)構(gòu),一般采用壓力進(jìn)樣,壓力進(jìn)樣是指通過外界輔助裝置施加一定的壓力將待測(cè)樣品注入微芯片中,該方法采用加壓的方法將極少量的樣品注入到微通道的特定位置,對(duì)實(shí)驗(yàn)條件以及裝置的要求很高。也有少數(shù)文獻(xiàn)在T型結(jié)構(gòu)中采用電動(dòng)進(jìn)樣,該方法對(duì)進(jìn)樣時(shí)間以及進(jìn)樣電壓的控制要求較高,一般采用全自動(dòng)進(jìn)樣。

圖5(A)去離子水在PDMS基底上的光學(xué)顯微照片。上:O2-plasma處理后5min、1h、3h的水接觸角;下:O2-plasma-PEG處理后5min、2h、20h、60h、420h的水接觸角[45]。(B)左:PVSZ改性的PDMS通道界面SEM圖像;右:微通道表面AFM測(cè)得的改性厚度為400nm[46]。(C)左:采用PPAA法對(duì)PDMS改性;右:原始PDMS以及PPAA改性后PDMS的水接觸角[47]。(D)采用Pt絲進(jìn)行空間控制局部電暈放電的原理及實(shí)物圖[48]。(E)左:旋涂PVA、HPMC前后PMMA的水接觸角;右:室溫下PVA、HPMC改性后水接觸角隨時(shí)間的變化趨勢(shì)[53]Fig.5(A)OpticalmicrographsofcontactangleofDIwateronPDMSsubstrate.Upperimages:5min,1hand3hafterpureO2-plasmatreatment;lowerimages:5min,2h,20h,60hand420hafterO2-plasma-poly-ethyleneglycol(PEG)treatment[45].(B)Left:SEMimagesofpolyvinylsilazane(PVSZ)coatedPDMSchan-nel;right:averagecoatingthicknessonthechannelsidesmeasuredbyAFMisca.400nm[46].(C)Left:sur-facemodificationofPDMSsubstratewithPPAA;right:DIwatercontactangleofuntreatedPDMSandPPAAcoatedPDMS[47].(D)SchematicandpracticalpicturesofthespatiallycontrolledcoronadischargeusingPtwires[48].(E)Left:watercontactanglesofnative,polyvinylalcohol(PVA)-coatedandHPMC-coatedpolym-ethylmethacrylate(PMMA)sheets;right:changeofwatercontactanglesofPVAandHPMC-coatedPMMAchangedwiththestoragetimeatroomtemperature

近年來,一些學(xué)者在進(jìn)樣方面提出了一些新的方法。Gabriel等采用0.6uL的電子微量吸液管作為微芯片的水力(Hydrodynamic,HD)進(jìn)樣器,提高了微芯片的檢測(cè)分辨率和每次進(jìn)樣的重復(fù)性。Ha等采用微注射器與針刺的方法實(shí)現(xiàn)了納升級(jí)的連續(xù)進(jìn)樣,該方法減少了試劑消耗,并且可以在微通道的任意位置進(jìn)行進(jìn)樣。Ha等采用預(yù)先設(shè)定好體積的微芯片腔作為一個(gè)“進(jìn)樣圈(Injectionloop)冶,通過控制進(jìn)樣圈周邊的4個(gè)微閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了定量進(jìn)樣,該方法既能有效消除電動(dòng)進(jìn)樣產(chǎn)生的離子偏差,又能很好地控制進(jìn)樣的精度。

目前,微芯片電泳的檢出限約為10-7~10-6mol/L,然而很多情況下要求更低檢出限。如何將待測(cè)樣品的濃度值預(yù)濃縮是微芯片電泳領(lǐng)域一個(gè)重要的方向。Cong等采用氣動(dòng)閥對(duì)樣品進(jìn)行了濃縮(圖7A),當(dāng)氣動(dòng)閥關(guān)閉時(shí),高電壓可以擊穿氣動(dòng)閥使得電流通過但液體卻無法通過,進(jìn)而將待測(cè)樣品中的離子在氣動(dòng)閥上游不斷濃縮,該方法可在230s內(nèi)將樣品濃縮約450倍。Chiu等設(shè)計(jì)了一種收縮型微通道,并將Nafion-nanoporous膜引入到芯片中,利用微觀界面下的離子濃縮極化效應(yīng)(Ionconcentrationpolarization,ICP)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行了預(yù)濃縮,可以將樣品濃縮約500倍。如圖7B所示,Kitagawa等采用電滲流泵的大體積樣品堆疊(Large-volumesamplestackingwithanelectroosmoticflowpump,LVSEP)以及場(chǎng)放大進(jìn)樣(Field-ampli-fiedsampleinjection,FASI)技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行了在線濃縮,大大降低了芯片的檢出限。

圖63種不同的微芯片通道結(jié)構(gòu):(A)十字交叉結(jié)構(gòu);(B)Double-T交叉結(jié)構(gòu);(C)T型結(jié)構(gòu)。Fig.6Threestructuresofmicrochipchannel.(A)Tra-ditionalcrossingstructure;(B)Double-Tcrossingstruc-ture;(C)SingleTstructure.

圖7兩種預(yù)濃縮方法。(A)采用氣動(dòng)閥結(jié)構(gòu)[63]和(B)采用LVSEP及FASI對(duì)樣品進(jìn)行濃Fig.7Preconcentrationusing(A)apneumaticmicrovalve[63]and(B)LVSEPcombinedwithFAS

進(jìn)樣與預(yù)濃縮是微芯片電泳的關(guān)鍵技術(shù),在很大程度上決定了微芯片電泳檢測(cè)的準(zhǔn)確性與應(yīng)用范圍,然而目前很多研究都處于實(shí)驗(yàn)室階段,離應(yīng)用還有較大的距離。

6微芯片電泳在離子檢測(cè)中的應(yīng)用

微芯片電泳相對(duì)于其它檢測(cè)技術(shù),具有檢測(cè)迅速、消耗試劑少、易于集成化等優(yōu)勢(shì)。近年來,C4D檢測(cè)的微芯片電泳在離子檢測(cè)方面的應(yīng)用逐漸成為熱門研究領(lǐng)域。在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域,檢測(cè)人體血液中的某些離子成分及濃度是一種非常必要的輔助醫(yī)療手段。鋰制劑是一種治療躁郁癥(Biopolardisorder)非常有效的藥品,對(duì)于口服過鋰制劑的患者,血液中鋰的含量應(yīng)嚴(yán)格控制在一定的范圍內(nèi)。Floris和Staal等先后制作并改進(jìn)了一種即時(shí)檢測(cè)(Pointofcare,POC)的微芯片,并用于檢測(cè)血液中的Li+含量,進(jìn)而輔助治療躁郁癥。重金屬離子(如Pb2+、Hg2+、Cd2+)以及過量的金屬離子都會(huì)給人體帶來非常嚴(yán)重的健康問題。微芯片電泳同樣吸引了眾多研究者在環(huán)境檢測(cè)以及污水處理領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用研究。Liu等開發(fā)了一種基于C4D的微芯片對(duì)Mn2+、Cd2+、Co2+、Cu2+的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了檢測(cè)。Yan等采用PDMS/PET材料制作了微芯片,對(duì)湘江水中的Zn2+、Cd2+、Cu2+等離子進(jìn)行了檢測(cè)。Freitas等采用微芯片電泳技術(shù)分別對(duì)魚缸水、生物肥料以及河水中的Cl-、NO-3、SO2-4、NO-2等離子進(jìn)行了檢測(cè)。近年來,農(nóng)業(yè)方面提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念,精準(zhǔn)施肥、水肥一體化成為農(nóng)業(yè)管理方面重要的研究方向,然而對(duì)土壤中養(yǎng)分離子的精準(zhǔn)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的前提。一些研究者嘗試將微芯片電泳用于土壤養(yǎng)分離子的檢測(cè)。Smolka等基于C4D微芯片電泳研發(fā)了一種便攜式儀器對(duì)土壤中的養(yǎng)分離子進(jìn)行了檢測(cè)。Xu等研制了一種土壤水提取器,并結(jié)合微芯片電泳對(duì)土壤中的養(yǎng)分離子進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

近年來微芯片電泳在離子檢測(cè)中的應(yīng)用匯總于表1。

表1近年來微芯片電泳在離子檢測(cè)中的應(yīng)用Table1ApplicationofMEinionsdetectioninrecentyears

7問題與展望

微芯片電泳發(fā)展至今已經(jīng)走過了近三十年的歷程,逐漸完善改進(jìn)。然而其高昂的制作成本、費(fèi)時(shí)的制造工藝將這一類產(chǎn)品的應(yīng)用范圍限定在實(shí)驗(yàn)室以及特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。商業(yè)化的產(chǎn)品與實(shí)驗(yàn)室的原理芯片存在較大的距離,在許多應(yīng)用細(xì)節(jié)上存在著需要克服的難題,例如如何將所有的功能元件集成化又不產(chǎn)生彼此之間的互相干擾、如何保證儀器檢測(cè)的穩(wěn)定可靠、如何去克服一些盲區(qū)操作(例如進(jìn)樣過程中引入了氣泡)、如何讓未經(jīng)訓(xùn)練的普通工作人員操作專業(yè)化設(shè)備。這些問題還需要研究人員與工程技術(shù)人員去解決。

樣品的精確微納尺度下流體的精確控制一直是微流控領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn),在電泳微芯片中待測(cè)進(jìn)樣是核心問題。電動(dòng)進(jìn)樣雖然方便快捷,但電泳力的存在使得檢測(cè)值偏離實(shí)際值;壓力進(jìn)樣則對(duì)設(shè)備與環(huán)境的要求較高。要實(shí)現(xiàn)微芯片電泳的普遍應(yīng)用,亟需一種簡(jiǎn)易、精準(zhǔn)的進(jìn)樣技術(shù)。

微芯片電泳技術(shù)要真正地走向?qū)嵱没?/span>,不僅要克服上述問題,還應(yīng)在以下兩個(gè)方面繼續(xù)做更多的研究工作。一方面是對(duì)樣品的有效提取與處理,即前處理,應(yīng)包括所測(cè)樣品中待測(cè)離子的可靠提取及低濃度樣品的預(yù)濃縮,這方面的研究剛起步,并且不同樣品的離子提取方法千差萬(wàn)別。另一方面是對(duì)檢測(cè)信號(hào)的可靠識(shí)別,即根據(jù)所測(cè)信號(hào)快速、精準(zhǔn)地得出待測(cè)樣品中各離子的種類與濃度,這需要大量的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)作為依據(jù),這方面的工作在文獻(xiàn)中也鮮有報(bào)道。微芯片電泳技術(shù)這兩方面的工作是必不可少的,既是挑戰(zhàn),也是機(jī)遇。

隨著技術(shù)的發(fā)展、制造工藝的革新,一些新的制作方法逐步進(jìn)入微芯片制作領(lǐng)域,如3D打印技術(shù)、紙芯片、超聲加工等。隨著這些技術(shù)的引入,微芯片的制作勢(shì)必進(jìn)一步簡(jiǎn)化,會(huì)在很大程度上推動(dòng)微芯片電泳的發(fā)展。目前,微芯片電泳主要應(yīng)用于生物、醫(yī)療、環(huán)境、土壤學(xué)等領(lǐng)域,雖然這些應(yīng)用僅處于起步階段,在應(yīng)用中有很多技術(shù)問題亟待解決,但是微芯片電泳的應(yīng)用前景不應(yīng)只限于這些領(lǐng)域,在未來將會(huì)作為一種傳感元器件甚至是功能元器件應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

文獻(xiàn)來源分析化學(xué)DOI:10.11895/j.issn.0253-3820.171521作者：楊明鵬黃哲謝洋尤暉（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）