中国科技大学7-环境监测新技术导论ppt课件.ppt

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1、第七章：微流控分析芯片技术微流控分析芯片的提出与发展主要来自于环境及材料科学发展中对更多、更准、更快的获取物质成分信息的需要。这种芯片就是采用微细加工技术，将微通道、微阀、微泵、微储液器、微电极、微检测器、窗口和连接器等功能元件集成在芯片上而构成的微型全分析系统（μ-TAS）。μ-TAS的目标是把整个化验室的功能包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成到微芯片上，因此，有芯片实验室的叫法，最终实现分析实验室的“个人化”、“家用化”。§1微流控分析芯片的结构与制作一、微流控芯片的结构特点1.是一种以微通道为网络，将微泵、微阀、微储液器、

2、微电极、微检测器连接在一起而组成的集成系统。对加入微通道中的流体进行控制与分离测定，以完成多种分析功能，如采样、稀释、加试剂、反应、分离检测等。2.面积约为几个cm2.3.微管道宽度与深度为µm级。4.所用材料除硅片、石英、玻璃外，还可是有机化合物如环氧树脂等。加工技术除微机电加工外，还有模塑法、热压法、激光烧蚀法等。二、芯片的制作方法1.光刻和蚀刻光刻和蚀刻技术由薄膜沉积、光刻和蚀刻三个工序组成，可表示如下:基片基片基片薄膜光胶层光刻蚀刻薄膜作为牺牲层保护基片表面，对于玻璃牺牲层用Cr,而硅片则用SiO2。2.芯片钻孔在通道的端头打一小孔

3、，以便流体通过小孔进入通道网络。3.键合：键合方法：热键合、阳极键合、粘合、低温键合等。热键合：硅片与硅片之间的热键合称为硅熔键合。将硅片放在硫酸溶液中清洗干净，再用盐酸除去表面的有机物和金属污染物。然后将硅片浸泡在约100℃的氢氧化铵溶液中，使表面通过水化反应增加OH基，通过范德华力的作用可使处理后的硅片紧密的贴合在一起。将贴合在一起的硅片放在高温炉中加热到800～1000℃退火，界面上发生如下反应。Si–O–H····H–O–SiSi–O–Si+H2O这样，两块硅片就可牢固的贴合在一块了。硅片表面的洁净度是能否成功键合的关键。§2、微流

4、控分析系统中微流体的驱动与控制一、微流体驱动系统驱动系统主要由机械微泵或非机械微泵组成，目前在微分析系统中，以往复式机械微泵最为常见，结构如下：单向阀单向阀泵腔致动器泵膜液体流入液体流出驱动系统示意图致动器的功能：提供驱动液流的动力。泵膜：泵膜可往复运动，是一种可活动的机械部件。单向阀：保证微泵驱动液流操作的连续性和定向性。致动器产生的动力作用于泵膜，使其发生形变或位移，以驱动泵膜内的液体。致动力的循环往复变化引气泵膜的往复运动，配合两单向阀的限流作用，形成单向连续流动的液流。对驱动系统的要求：1.体积应尽可能小，易与芯片上其他系统实现集成

5、化。2.流速:流速范围大，流速的重现性好，流速的脉动性小。3.泵压：对不同系统有不同的要求，如在芯片毛细管电泳分离系统中，泵压需在3～10MPa之间，流速在50nL/min～50µL/min范围。二、微流体的进样与混合系统1.进样系统：将一段试样以塞流形式注射到分离分析通道。进样方法：基于时间和基于体积的进样方法。进样过程：充样和注样基于时间的进样方法a).“T”形通道进样法：BSDBDS充样注样缓冲溶液试样分离分析通道BSD以电动注样的方式向分析通道注入一定体积的试样，试样体积由注样电压（流速）和注样时间来确定。优点：流路设计和操作简单，

6、注样体积灵活可调，可引入比较大量的试样，但换样不方便。（2）门式进样法BWSSBWDDBSDW充样注样换样这种进样方法是在充样阶段，采用分流的方法分出一部分试样液流进入分离分析通道，通过控制充样电压和时间可以控制进样量。门式进样法在注样-分离分析阶段，试样通道和分析通道内液流可同时保持连续流动的状态，其优点是便于换样和操作。可在分离分析的同时进行换样操作。2.微流体的混合系统：分流型混合器夹层结构（玻璃/硅/玻璃）A、B溶液玻璃硅片玻璃AB分流型混合器该方法的基本原理是：因扩散时间与扩散距离的平方成正比，通过将液流分成多个薄层液流，可缩短液

7、流间的扩散距离，显著降低混合时间。理论上，将液流分为n个分支薄层液流，将使混合时间加快n2倍。本系统的优点是：混合器死体积小，内部通道仅有600nl,混合效率高，速度快，可在微小体积内以毫秒级的时间完成混合（在15ms内达到95%的混合）。两液流流速和流速比范围比较广，分别为1～200µL/min。激光器滤光片1芯片显微物镜二向色镜目镜光阑滤光片2光电倍增管共聚焦型激光诱导荧光检测器示意图§3微流控分析系统的检测器激光器一、激光诱导荧光检测器分析仪电化学电化学检测器示意图高压电源wwcR二、电化学监测器§4.微流控分析芯片的应用技术与特点一

8、、芯片毛细管电色谱技术逶迤形开口电色谱分离芯片结构：WRLPRSWRSRSR--样品池SWR–样品废液池LPR–流动相池WR–废液池检测器面积：8X8mm分离通道长：171mm有