（分析化学专业论文）基于微流控芯片激光诱导荧光检测系统的研究与应用.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rp h d e g r e ei n2 0 1 0s c h o o lc o d e ： s t u d e n t sn u m b e r ： e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y s t u d yo nm e t h o d o l o g i e sa n da p p l i c a t i o n so f m i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i sc o u p l e dw i t h l a s e r i n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n m a j o r ： r e s e a r c hf i e l d ：b a s e do nm i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i sc o u p l e dw i t h s u p e r v i s o r ： l a s e r i n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n c a n d i d a t ef o rp h d ： q 塑g 丛 a p r 2 0 1 0 ，s h a n g h a i 华东师范大学学位论文原创性声明 y7 4 4 16 11 i 洲洲1 l i i l 郑重声明：本人呈交的学位论文基于微流控芯片激光诱导荧光检测系统的 研究与应用，是在华东师范大学攻读硕士博士( ) 学位期间，在导师的指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 生塑 日期：2 0 1 05 月2 1 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于微流控芯片激光诱导荧光检测系统的研究与应用系本人在华东师范 大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕士博士( 4 ) 学位论文，本论文的研 究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此 学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网送交学位 论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进 行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密学位论文 奉，于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名寺钼 本人签名童塑 2 0 1 0 年5 月2 0 日 “涉密 学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密 委员会审定过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论 文“涉密 审批表方为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学 位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 博士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 孔继烈教授( 博士生导师)复旦大学主席 张祥民教授( 博士生导师)复旦大学委员 田阳教授( 博士生导师)同济大学委员 叶建农教授( 博士生导师)华东师范大学委员 金利通教授( 博士生导师)华东师范大学委员 摘要 微全分析系统的研究是上世纪9 0 年代所提出的全新概念。微流控芯片的加 工以微电路加工技术为基础，以单晶硅片为材质。作为一种分析平台，微流控芯 片实验室主要以芯片毛细管电泳的形式开始研究。随着微加工技术的不同发展， 微流控芯片实验室的研究已经广泛的涉及到了食品卫生、药物分离、环境分析、 生化分析等几乎所有的分析领域。微全分析系统已经将化学分析领域所涉及到的 各个单元集成在了非常小的芯片上，具有高通量，高精度，高速度的特点。 激光诱导荧光检测器是目前最灵敏，应用最为广泛的检测方法之一。因此也 是与微流控芯片相匹配研究最多的检测器。根据光学体统不同，激光诱导荧光检 测器可以分为共聚焦型检测系统，非共聚焦型检测系统和正交型检测系统。 本论文基于微流控芯片电泳正交型激光诱导荧光检测的研制与改进工作入 手，完善了微流控芯片激光诱导荧光检测系统的研究。将垂直检测，改为侧壁检 测，减小了整个分析系统体积；在光电倍增光前端放置了微型小孔，降低了激光 器的噪声，提高了信噪比与检测灵敏度；开发了一种新型芯片定位技术，可以避 免由于材料或加工芯片的厚度造成的芯片高度定位误差，不需要人工的反复调整 也不需要高成本、高技术的自动调节系统，保证每一块芯片相对于光源高度的轻 松、简单、正确定位。将分析对象通过嵌入剂或衍生化反应产生荧光，考察了不 同筛分介质对d n a 片段的筛分性能，检测了一段p 5 3 基因的碱基突变，建立了 分析牛奶中氨基酸含量的检测方法等。从而实现了微流控芯片激光诱导荧光检测 系统的应用。 本论文的主要工作有： 第一章简要地综述了微流控芯片实验室的发展历史、基本原理、分离模式、 联用检测技术、应用领域、研究进展以及本论文研究的目的和意义。 第二章完善了一种集成化的、可用于微流控芯片电泳检测的激光诱导荧光 检测系统的研究。制备了盖片、基片长度不同的玻璃微流控芯片，并将芯片的侧 壁抛光，使仪器由垂直检测改为侧壁检测，减少了仪器整体的体积；在光电倍增 光前端放置了微型小孔，降低了激光器的噪声，提高了信噪比与检测灵敏度；并 开发了一种利用芯片健合面上，盖片大于基片的部分作为微流控芯片的定位面和 支撑面的方法，结合弹簧压片，实现了芯片的精确定位。以四触点高电压系统控 制芯片上的进样和电泳分离操作。激光诱导荧光检测系统采用正交光路模式，对 荧光染料c y 5 的检出限达至l j l 0 。1 1m o l l ( s n = 3 1 。 第三章利用自由基反应，制备了一种可以用于微流控芯片上快速筛分d n a 片段的共聚物。将聚吡咯烷酮( p v p ) 和羟乙基纤维素( h e c ) r 眵成的共聚物作为筛 分介质成功的分离了d n a 片段。通过改变p v p 在聚合物中的比列，在进样场强为 6 0 0v c m ，共聚物摩尔比列为p v p ：h e c 为3 ：1 时，可以实现f x l 7 4 h a e d i g e s t d n am a r k e 的进样分离分析，将7 2 1 3 5 3b pd n a 片段总分离分析时间缩短为3 m i n 。样品各片段的分离效率达到2 5 1 x 1 0 5m - 1 3 8 9 x 1 0 sm 。本研究为d n a 片段 的分离提供了简便、快速、灵敏的方法。 第四章考察了金纳米粒子与聚合物的复合体系对d n am a r k e r 的筛分性能。 首先将不含金纳米粒子( g n p s ) 的聚合物混合溶液涂覆在芯片内壁，然后在这一体 系中加入不同粒径大小的g n p s 再次涂覆在通道内壁，并作为筛分介质，也可以 成功的分离fx 1 7 4 h a e i i id i g e s td n am a r k e r ，大大提高检测信噪比。研究发现， 在简单超声处理后，直接混合的聚合物溶液中，加入直径大小为3 0n m 的g n p s ， 可以在4 分钟以内，实现样品d n a 片段分离检测。样品d n a 各个片段迁移时 间的r s d 值均小于2 5 1 ，分离效率最高8 5 4 x 1 0 4m 。本研究拓展了纳米材料 在微流控芯片电泳中的应用。 第五章利用微流控芯片电泳( m e ) 结合激光诱导荧光检测( l i f ) 技术，根据 单链构象多态性( s s c p ) 原理，建立了检测人类p 5 3 基因突变的方法。设计不同碱 基长度的p 5 3 单链序列，针对易突变的外显子7 ，8 ，9 进行s s c p 分析，分离正 常与突变的单链d n a 序列；研究了筛分介质聚乙烯基氧化物( p e o ) 的浓度， 场强对芯片电泳行为的影响。在p e o 浓度为o 5 ，分离场强为2 6 0v c m 时， 1 0 0s 之内就可以实现样品p 5 3 外显子7 ，8 ，9 的正常型与突变型碱基的分离检 测。本研究为p 5 3 外显子的突变检测提供了快速、简单、灵敏的方法。 第六章建立了一种用于测定牛奶中氨基酸成分的微流控芯片电泳一荧光检 测方法。以硼砂缓冲溶液为背景电解质，经红敏荧光染料( c y 5 ) 衍生的7 种氨基酸 在1 5 0s 内可以得到很好的分离和测定。考查了各个分离参数对分离的影响，得到 的优化条件为：1 0 0m m o l l 硼砂一氢氧化钠溶液( p h9 7 ) 作为缓冲溶液。在2 0 m m o u 硼砂溶液( p n9 2 ) 中，衍生试n c y 5 与单个氨基酸的化学计量燃j 1 ：1 ， 能够获得稳定荧光强度的氨基酸衍生物。各氨基酸成分在l x l 0 培m o l l - 1 , - 5 x 1 0 s t o o l l - 1 的浓度范围内呈良好的线性关系，相关系数r 2 在0 9 9 0 4 0 9 9 8 4 之间。保留 时间和峰面积的相对标准偏差分别为2 1 - - - 4 5 和2 3 - - 5 4 。该方法准确可 靠，可用于质量控制为目的的牛奶中氨基酸成分的定量测定。 关键词：微流控芯片电泳，荧光检测，共聚物，d n a 检测，金纳米粒子，p 5 3 突变，氨基酸， i l l a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e mi saf i e l dt h a th a sb e e ng r o w i n ge v e rs i n c et h ee a r l y 1 9 9 0 s m i c r o f l u i d i cd e v i c e so r i g i n a t e df r o mt h ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( i c ) i n d u s t r y , a n d e a r l ym i c r o f l u i d i cd e v i c e sa r em o s t l ys i l i c o nb a s e da n a l y z e r sc o n s i s t i n go fc h a n n e l s f o rs p e c i e s s e p a r a t i o n i nac a r r i e rf l u i d h o w e v e r , w i t hr e c e n ta d v a n c e si n m i c r o f a b r i c a t i o na n dd e v i c ed e s i g ni n n o v a t i v ec o m p o n e n t sa n dp l a t f o r m sa r ec o m i n g t of o r ew i t ha p p l i c a t i o n si n b i o l o g y , m e d i c i n e ，p h a r m a c e u t i c s ，a n df o o d a n d e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g “m i c r o t o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ( m i c r o t a s ) o r “l a b o nac h i p ( l o c ) a r eb e c o m i n gar e a l i t yw h e r ee n t i r ec h e m i c a la n a l y s e si n m i n i a t u r i z e dv o l u m e sa r ep e r f o r m e dw i t hh i g hs e n s i t i v i t i e sa n di ns h o r t e rt i m es p a n s o w i n gt o i t si n h e r e n t s e l e c t i v i t y a n de x c e l l e n t s e n s i t i v i t y ，l a s e r - i n d u c e d f l u o r e s c e n c e ( u f ) h a sb e e nb e c o m i n gt h em o s tp o p u l a rd e t e c t i o ns c h e m e i n c o n j u n c t i o nw i t hm i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i s v a r i o u sl i fd e t e c t i o ns y s t e m sb a s e do n d i f f e r e n t o p t i c a la r r a n g e m e n t sw e r ed e v e l o p e da n dh a v e b e e ns u c c e s s f u l l ya n d b r o a d l ya p p l i e d i nt h em i c r o f l u i d i c c h i p b a s e da n a l y s i ss y s t e m s t h eo p t i c a l a r r a n g e m e n t so fh i t h e r t ot h r e em a j o rt y p e so fl i fd e t e c t i o ns y s t e me m p l o y e di nc h i p d e v i c e s ，t h ec o n f o c a lu fs y s t e m ，n o n c o n f o c a ll i fd e t e c t i o ns y s t e ma n do r t h o g o n a l o p t i c a la r r a n g e m e n ts y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，al i fd e t e c t i o ns y s t e mf o rm i c r o f l u i d i cc h i p sw i t has i m p l e o r t h o g o n a lo p t i c a la r r a n g e m e nw a sd e v e l o p e d t h et e c h n o l o g i e sa b o u tm i c r o c h i p e l e c t r o p h o r e s i sw e r es y s t e m i cs t u d i e d ，i n c l u d i n gc h i pm i c r o f a b r i c a t i o n ，s e p a r a t i o n d n am a r k e rt oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h es i e v e ，d e t e c t i o no ft h em u t a t i o n si n p 5 3g e n ea n d d e t e r m in a tio no fa m in o a cid sinm iik t h ew o r kw a si n v o l v e di n t h et y p i c a lm a n i p u l a t i o n ，s u c ha st h ep r e c o n c e n t r a t i o n ，r e a c t i o n ，s e p a r a t i o na n d d e t e c t i o n a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h el i fd e t e c t i o ns y s t e m sw a sr e a l i z e d t h et o p i c so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e db e l o w ： c h a p t e r1r e v i e w st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nm i c r o c h i p - b a s e da n a l y t i c a l s y s t e m s t h e nt h en e wp r o j e c t sw e r ec a r r i e do u t c h a p t e r2s t a t e sa ni n t e g r a t e ds y s t e mi n v o l v i n gm i c r o f l u i d i cc h i p ，h i g hv o l t a g e p o w e rs u p p l y , l a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c e ( l i dd e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mw a s d e v e l o p e dt op e r f o r mm i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i ss e p a r a t i o n as i m p l ea n dc o n v e n i e n t i v d n am a r k e rw a s s u c c e s s f u l l ys e p a r a t e dw i t h i n3m i n c h a p t e r4s t a t e sas i m p l ea n dr o b u s ts t a t i ca d s o r p t i v ec o a t i n gp r o c e s si ng l a s s m i c r o c h i p sf o rd n as e p a r a t i o nw a sd e v e l o p e db yu s i n gm i x e dp o l y m e rc o n s i s t e do f 2 h y d r o x y e t h y l c e l l u l o s ea n d4 p o l y ( v i n y l p y r r o l i d o n e ) a ss u r f a c em o d i f i e ro f m i c r o f l u i d i cc h a n n e l s t h i ss u r f a c em o d i f i e rw a sa l s ou s e da st h es i e v i n gm a t r i xf o r t h ed n as e p a r a t i o n i nt h i s s t u d y ，f x 1 7 4 一h a e l i i d i g e s ts a m p l ew a su s e dt o i n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o l y m e rm i x t u r ei nm i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i sw i t h l a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n i tw a sa l s of o u n dt h a ta d d i n g3 0n mg o l d n a n o p a r t i c l e st ot h em i x e dp o l y m e rw a sv e r yu s e f u lt oa c h i e v eb e t t e rr e s o l u t i o na n d r e p r o d u c i b i l i t y u n d e r t h e o p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h ed n af r a g m e n t s c o u l db e s u c c e s s f u l l ys e p a r a t e dw i t h i n4m i na n dt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o nv a l u e so ft h e m i g r a t i o nt i m e sw e r el e s st h a n2 51 ( n = 5 ) d u r i n gt h eo n ew e e k c h a p t e r5 s t a t e saf o r mo fs i n g l e - s t r a n dd n a - c o n f o r m a t i o np o l y m o r p h i s m a n a l y s i s ( s s c p ) e m p l o y i n gn o n d e n a t u r i n gs l a bg e le l e c t r o p h o r e s i si sa p p l i c a b l et ot h e g e n e t i cd i a g n o s i so fm u t a t i o n s a te x o n s7 ，8a n d9o ft h ep 5 3g e n e r e c e n t l y , m i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i s ( m e ) s y s t e m sh a v eb e e nu s e di ns s c pa n a l y s i si n s t e a do f v a b s t r a c t c o n v e n t i o n a ls l a bg e le l e c t r o p h o r e s i si nt e r m so fs p e e d ，s e n s i t i v i t ya n da u t o m a t i o n t h ea i mo ft h ep r e s e n ts t u d yw a st o i n v e s t i g a t et h ea p p l i c a t i o no fs s c pa n dm e a n a l y s i sa sar a p i da n de f f e c t i v em e t h o df o rd e t e c t i o no fm u t a t i o n sf o re x o n s7 ，8a n d 9o ft h ep 5 3g e n e i tw a sf o u n dt h a tu s i n gt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h2 6 0v c ma n dt h e s i e v i n gm a t r i xo f0 5 w vp o l y ( e t h y l e n eo x i d e ) w a sv e r yu s e f u lt oa c h i e v eb e t t e r r e s o l u t i o na n df a s td e t e c t i o no fm u t a t i o n sa te x o n s7 ，8a n d9o fp 5 3g e n e u n d e rt h e o p t i m i z e dc o n d i t i o n s ，m u t a t i o n sa te x o n s7 - 9o fp 5 3g e n ew e r ea n a l y z e dw i t h i n6 0s a n dt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o nv a l u e so ft h em i g r a t i o nt i m e sw e r el e s st h a n5 8 1 ( n = 5 ) t h ed e t e c t i o nl i m i tc a nb ea sl o wa s1n gl - 1 c h a p t e r6 s t a t e sam e t h o df o rd e t e r m i n a t i o no fa m i n oa c i d si nm i l kb ym i c r o c h i p e l e c t r o p h o r e s i s ( m e ) c o u p l e dw i t ht h ed e t e c t i o no fl a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c e ( l i f ) h a sb e e nd e v e l o p e d t h ea m i n oa c i d si nm i l kw h i c hd e r i v a t i z e dw i t hf l u o r e s c e i n i s o t h i o c y a n a t ew e r ef i n e l ys e p a r a t e da n dd e t e r m i n a t e db ym e - l i fw i t hb o r a t eb u f f e r t h es e p a r a t i o np a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e dt og i v ea no p t i m a l e x p e f i m e n t m c o n d i t i o n ：b o r a t eb u f f e r ( 1 0 0m m o l l , p h9 7 ) ；a p p l i e ds e p a r a t i o nf e l d4 7 5v c m a l l a m i n oa c i d sw e r es e p a r a t e dw i t h i n1 5 0s a l la m i n oa c i d - c y 5d e r i v a t i v e sw a sl i n e a ri n t h ea p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o n ( r z0 9 9 0 4 - 0 9 9 8 4 ) t h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n s ( n 2 5 ) o f t h em e t h o dw e r e2 1 4 5 f o rm i g r a t i o nt i m ea n d2 3 5 4 f o rp e a k a r e a t h i sm e t h o da l l o w st od e t e r m i n i n gt h ea m i n oa c i d si nm i l kw i t hh i 【g hs e n s i t i v i t y k e yw o r d s ：m i c r o c h i pe l e c t r o p h o r e s i s ，l a s e r - i n d u c e df l u o r e s c e n c ed e t e c t i o n ， c o p o l y m e r , d n ad e t e d t i o n ，g o l dn a n o p a r t i c l e ，p 5 3m u t a t i o nd e t e c t i o n ，a m i n oa c i d v i 目录 论文摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 微流控芯片的发展历史。2 1 3 微流控芯片的功能介绍3 1 3 1 试验处理模式 4 1 3 2 液滴技术。5 1 3 3 驱动与控制6 1 3 4 反应7 1 3 5 分离7 1 4 微流控芯片的检测技术1 6 1 4 1 微流控芯片检测器的性能要求1 6 1 4 2 微流控芯片检测其的功能与分类1 7 1 5 微流控芯片的应用领域2 1 1 6 微流控芯片的发展趋势和展望2 4 1 7 本课题的研究意义和特色2 4 参考文献2 7 第二章微流控芯片电泳激光诱导荧光检测系统的研究3 4 1 弓i 言3 z l 2 实验部分3 5 2 1 实验试剂与处理过程3 5 2 1 1 实验试剂及材料。3 5 2 1 2 试剂处理过程3 6 2 2 仪器装置3 6 2 3 微流控芯片加工3 8 2 4 芯片定位系统3 9 v 4 结论4 9 参考文献4 9 第三章基于共聚物聚乙烯基吡咯烷酮与羟乙基纤维素快速分离d n a 片段的研 究! ；1 1 引言5 1 2 实验部分5 2 2 1 试剂与仪器5 2 2 2 共聚物制备。5 3 2 3 玻璃芯片的内壁改性5 3 2 4d n a 片段的电泳分离。5 3 2 5 数据处理5 4 3 结果与讨论。5 4 3 1d n a 荧光标记物的选择。5 4 3 2 筛分介质对d n a 分离的影响5 6 3 2 1 单一筛分介质5 6 3 2 2 共聚物筛分介质5 7 3 3 进样场强和时间5 9 3 4 分析性能的稳定性6 1 4 结论6 2 v m 参考文献6 2 第四章包含纳米金颗粒的混合筛分介质对d n a 片段分离的影响6 4 1 弓i 言6 4 2 实验部分6 5 2 1 试剂与仪器6 5 2 2 试剂与样品处理过程6 6 2 3 制备纳米金6 7 2 4 复合筛分介质的制备6 7 2 5 芯片电泳6 8 2 6 数据处理6 8 3 结果与讨论6 9 3 1 筛分介质对d n a 分离的影响6 9 3 1 1 关于纳米金的制备6 9 3 1 2 纳米金粒径大小对d n a 分离的影响7 0 3 2 荧光嵌入剂浓度对d n a 分离的影响。7 3 3 3 筛分性能重现性与寿命7 4 4 结论。7 5 参考文献。7 5 第五章微流控芯片电泳激光诱导荧光检测p 5 3 外显子上的突变点7 7 1 引言7 7 2 实验部分7 8 2 1 仪器。7 8 2 2 试剂7 9 2 3 芯片加工7 9 2 4 正常型与突变型序列7 9 2 5s s c p m e 分析。8 0 2 6 数据处理8 0 3 实验结果与讨论8 0 i x 3 1 筛分介质浓度对检测的影响8 0 3 2 分离场强对检测的影响8 2 3 3 方法重现性考察：8 2 4 结论8 4 参考文献8 4 第六章微流控芯片电泳激光诱导荧光检测用于牛奶中氨基酸成分的分析8 7 1 引言8 7 2 实验部分8 8 2 1 仪器。8 8 2 2 芯片加工8 9 2 3 试剂。8 9 2 4 牛奶样品透析处理。8 9 2 5 微流控芯片电泳实验8 9 3 结果与讨论9 0 3 1 衍生化反应。9 0 3 2 芯片电泳分离氨基酸方法的建立与优化9 1 3 2 1 缓冲液p h 值与浓度对分离的影响9 1 3 2 2 分离场强和进样时间对分离的影响9 2 3 2 3 优化条件下的电泳分离9 2 3 3 方法重现性与样品线性关系9 3 3 7 牛奶样品分析9 3 4 结论9 4 参考文献9 5 附录：博士在读期间科研成果9 7 致谢1 0 0 x 第一章绪论 1 1 引言 微流控( m i c r o f l u i d i c s ) 是利用尺度在数十至数百m 的微通道结构，处理和 操纵1 0 - 9 1 0 4 8l 流体的科学和技术【1 】。近2 0 年来，在m a n z 等提出的微全分析 系统( m i c r o t o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，m t a s ) 理念的引领下构建集成在几平方厘米 芯片上的微流控分析系统【2 】，实现了降低样品和试剂的消耗，高效、快速地完成 试样的反应、分离、筛选和检测等任务，已经成为集合化学、生命科学、医学和 临床诊断等于一体的热点领域。 t a s 微型化，首先得益于微加工技术的发展。当今微加工技术已能够在微 芯片上加工出各种微管道、微检测元件、窗口和连接器等功能元器件，完成生物 和化学等领域中所涉及的样品富集、制备、生物与化学反应、分离、检测等不同 的基本操作【3 】。芯片结构的多样、微米或纳米级的尺寸、纳升或皮升级的检测 样品量、生化信号的微弱及复杂对微检测系统提出了新的要求，不少专家甚至提 出检测系统的整体小型化才是微型全分析系统技术的关键。检测效果也只有更为 精确和可重复才能实现微全分析系统的家庭化和产业化，这些无疑需要依靠材 料、电子、光学仪器、计算机等领域的发展与介入。所以微流控芯片分析系统除 涉及到大量的微加工技术和芯片材料的知识外，还涉及到广泛的基础理论和应用 基础知识，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 关的研究提出了挑战。 因此，对于分析化学工作者来说，以微流控芯片技术为基础的样品分析检测 方法及系统研究是十分有意义的。本文正是基于此目的，以微流控芯片作为切入 点而展开的。围绕微流控芯片系统的发展背景、功能和应用的研究工作，本章就 以下几个方面进行综述。 1 微流控芯片的发展历史 2 微流控芯片的功能介绍 3 微流控芯片的检测技术 4 微流控芯片的应用领域 5 微流控芯片的发展趋势与展望 6 本课题的研究目意义和特色 1 2 微流控芯片的发展历史 微流控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必然性。回 顾近年来的发展历史，不难看出分析系统的自动化、微型化趋势早在二十世纪六 十年代初即已出现，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。 1 9 5 7 年，s k e e g s 首创了间隔式连续流动分析( s e g m e n n t e dc o n t i n u o u sf l o w a n a l y s i s ，s c f a ) 4 ，首次突破了延续二百年的分析化学传统操作中以玻璃器皿为 主要工具的操作模式，把分析化学转移到有液体连续流动的管道中，成为分析操 作实现连续化、自动化的“传送带”。连续流动分析的成功与局限促使r u z i c k a 与h a n s e n 在1 9 7 5 年提出了流动注射分析( f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ，f i a ) 的概念【5 】。 流动注射分析继承了连续流动的观念，同时摒弃了流动中必须实现理化平衡的观 念，提出了非平衡条件下实现定量分析的技术。这一技术的应用，使得试样与试 剂的消耗从1 0m l 水平降到了1 0 2 0 0 z l 水平。 1 9 9 1 年，受雇于瑞士c i b a g e i g y 公司的m a n z 与w i d m e r 教授将f i a 转移到 微加工芯片上来，提出了微全分析系统的( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，z t a s ) 的 概念。1 9 9 2 年，m a n z 与加拿大a l b e r t 大学教授h a r r i s o n 联合发表了首篇在微加 工芯片上完成的毛细管电泳分离论文【6