微安培检测器设计.doc

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1、1引言1.1课题背景分析化学是化学家最基础的训练课题之一，化学家在实验技术和基础知识上的训练，皆得力于分析化学。分析化学所用的方法可分为化学分析法和仪器分析法，而当代分析化学则著重于仪器分析。微型化和智能化是分析仪器发展的主要方向，这不仅因为它可以提高效率，节省开支，实现自动化，而且排污少，是一种"绿色"技术。自从1990年由Manz提出“微型全分析系统”(MicroTotalAnalysisSystem,μ2TAS)概念后,微型化、集成化与便携化成为分析仪器设备的发展趋势。1.1.1微流控芯片概述微流控芯片（microfluidicchip）是当前微全分析系统

2、（MiniaturizedTotalAnalysisSystems）发展的热点领域，是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构（通道、反应室和其它某些功能部件）至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。其产生的应用目的是实现微全分析系统的终极目标－芯片实验室，目前工作发展的重点应用领域是生命科学领域。在众多微型全分析系统器件中,毛细管电泳芯片具有分析速度快、样品消耗量少、便于集成化、自动化和微型化等优点,有极高的学术和商业价值。上个世纪90年代,Manz、

3、Harrison、Ramsey、Mathies等人为毛细管电泳芯片领域的飞速发展打下了良好的基础。随着微电子微机械技术(microelectro-mechanicalsystems,MEMS)的发展,毛细管电泳芯片取得了进一步长足的发展,对检测技术灵敏度的要求就被提到了一个更为重要的位置,人们期望改进检测技术以促使毛细管电泳芯片检测系统向着微型化、集成化、自动化及智能化的方向发展，最终实现建立微全分析系统（micrototalanalysissystem,μ-TAS）或缩微芯片实验室（LabOnaChip,loc）的目标。1.1.2毛细管电泳(CE)原理应用与发

4、展毛细管电泳(capillaryelectrophoresis,CE)又叫高效毛细管电泳(HPCE),是近年来发展最快的分析方法之一。1981年Jorgenson和Lukacs首先提出在75μm径毛细管柱用高电压进行分离,创立了现代毛细管电泳。1984年Terabe等建立了胶束毛细管电动力学色谱。1987年Hjerten建立了毛细管等电聚焦,Cohen和Karger提出了毛细管凝胶电泳。1988～1989年出现了第一批毛细管电泳商品仪器。短短几年,由于CE符合了以生物工程为代表的生命科学各领域中对多肽、蛋白质(包括酶，抗体)、核苷酸乃至脱氧核糖核酸(DNA)的分

5、离分析要求,得到了迅速的发展。毛细管电泳(CE)是指以高压电场为驱动力,以毛细管为分离通道,依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术。CE最常见的仪器基本结构如图1-1所示。图1-1毛细管电泳芯片设计示意图图毛细管电泳(CE)除了比其它色谱分离分析方法具有效率更高、速度更快、样品和试剂耗量更少、应用面同样

6、广泛等优点外,其仪器结构也比高效液相色谱(HPLC)简单。CE只需高压直流电源、进样装置、毛细管和检测器。前三个部件均易实现,困难之处在于检测器。特别是光学类检测器,由于毛细管电泳溶质区带的超小体积的特性导致光程太短,而且圆柱形毛细管作为光学表面也不够理想,因此对检测器灵敏度要求相当高。1.2毛细管电泳芯片（CE）检测器分类检测是毛细管电泳发展的核心问题之一。如何体现毛细管电泳的优良性能与高灵敏检测密切相关。毛细管电泳自身特点要求与其联用的检测器必须有较小的体积和较高的灵敏度。1.2.1检测器分类目前，商品化仪器通用的检测方法仍是紫外可见检测器，但由于毛细管孔径

7、小，进样量极低(nL)，导致光度检测的灵敏度较低。荧光检测器虽然灵敏度高，选择性好，但仅适合于具有荧光或易于进行荧光衍生的物质，使其通用性受限。毛细管电泳--质谱联用灵敏度高，专属性强，能提供分子结构信息，是CE较为理想的一种监测器，但是价格昂贵。其它的检测方法还有激光光热法、放射分析法、示差折光法等。与上述检测方法相比，电化学检测有其独特的优点，其质量检测限低，线性围宽，选择性好，与CE联用不仅可满足分析微量样品时灵敏度的要求，而且设备简单、仪器造价低廉，便于推广使用。电化学检测对于大多数易于氧化还原物质的浓度检测限可达mol/L(质量检测限可达f/mol-a

8、/mol)。根据电化学检