摘要

微芯片電泳具有檢測迅速、易于便攜化、消耗試劑少等優(yōu)點,成為離子檢測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上,從微芯片電泳的結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝、表面改性、實驗方法及其在離子檢測中的應用等多個方面進行了綜述,并對存在的問題以及未來的研究方向進行了總結(jié)和展望。

1引言

離子檢測在環(huán)境監(jiān)測、土壤養(yǎng)分管理、醫(yī)療檢測等方面具有重要的作用和意義。測量水體與陸地環(huán)境中的養(yǎng)分離子、重金屬離子的含量對治理富營養(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之一。如何快速、簡便地實現(xiàn)離子檢測一直是相關(guān)的研究熱點。傳統(tǒng)的離子分析方法一般在實驗室條件下進行,存在檢測成本高、周期長、功能單一等缺點,在很大程度上阻礙了離子檢測技術(shù)的普遍應用。多種新的離子檢測方法應運而生，其中微芯片電泳技術(shù)以檢測迅速、易于便攜化、可同時檢測多種離子、消耗試劑少等優(yōu)點脫穎而出。

20世紀90年代,Manz等首先提出了微全分析系統(tǒng)的概念,將實驗室條件下進行的生物、化學等方面的檢測實驗壓縮到一張芯片上進行,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檢測法,該方法避免了檢測電極的腐蝕并降低了分離高壓對檢測信號的影響,進而延長了檢測電極的使用壽命,提高了檢測精度,它的提出是微芯片電泳技術(shù)的另一個里程碑。

如圖1A所示,一個微芯片電泳系統(tǒng)主要由微芯片、分離高壓、信號發(fā)生與采集模塊以及信號后處理模塊構(gòu)成。圖1A和1B是傳統(tǒng)微芯片電泳的進樣與分離示意圖,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下溶液特性的改變,如pH值、導電性等;然后從3端口通過電動進樣或壓力進樣的方法注入待測樣品液;開啟c信號發(fā)生與采集模塊,對檢測區(qū)進行實時檢測;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動示意圖。按照雙電層理論,固液兩相接觸時,會在靠近固體的水溶液中形成雙電層,即緊密層與擴散層,所謂電滲流是指在電場作用下擴散層中離子定向移動進而推動整個流體進行塊狀運動;而電泳是指帶電粒子在電場作用下的定向移動,離子的運動是電滲流與電泳作用下的合運動。不同離子的運動速度是不同的,可以根據(jù)離子到達檢測電極處的時間判斷離子的種類。對于電導檢測法而言,檢測區(qū)設置了檢測電極,當溶液中離子流經(jīng)電極處時,檢測到的電導值會發(fā)生變化,進而根據(jù)電導值的變化量得出離子的濃度。

本文在介紹原理的基礎上,總結(jié)了近年來微芯片電泳的研究進展,從結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝、表面改性、實驗方法及其在離子檢測中的應用等多個方面對微芯片電泳進行了綜述,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-信號發(fā)生與采集模塊,d-信號后處理模塊;(B)傳統(tǒng)微芯片電泳進樣與分離示意圖;(C)電滲流及電泳引起的離子運動示意圖,veo-電滲流引起的運動,vep-電泳引起的運動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)由進樣、樣品傳輸、樣品預處理以及檢測等多個環(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相交的通道,分別采用電動進樣與電泳分離的方法實現(xiàn)了待測樣品的注入與分離。2001年,Guijt等提出了基于非接觸電導檢測的微芯片結(jié)構(gòu),在檢測電極上覆蓋了SiC薄層,避免了檢測電極的腐蝕并降低了分離過程中高壓對檢測信號的干擾。自此,微芯片電泳-電容耦合非接觸電導檢測的結(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立的,可以根據(jù)需要改變檢測電極的位置。一體式芯片的加工難度大于外部電極式,對電極層與通道層的材料有特定的粘合要求,但檢測精度高;外部電極式芯片的通道層與電極層是獨立的,使用靈活,然而組裝過程中電極與通道存在對準誤差,檢測精度以及重復性相對較差。

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

其他研究者根據(jù)各自的需要設計了多種結(jié)構(gòu)的微芯片,或改進進樣方式,或?qū)崿F(xiàn)陰陽離子的同時檢測,或提高檢測精度,或簡化制作工藝等,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,同時也起到絕緣層的作用,避免溶液與檢測電極的接觸。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,采用水動力“劈開-進樣冶的方法實現(xiàn)了自動連續(xù)地進樣。該結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了陰陽離子的同時檢測,而且采用了水動力進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設備,并有效地檢測了果汁中的有機酸、無機酸以及兔子血樣本、人血清樣本中的離子(圖3C)。其他學者也分別提出了多種滿足各自功用的芯片結(jié)構(gòu)。當前微芯片電泳的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化、功能化的發(fā)展趨勢,隨著更多加工技術(shù)的引入,微芯片的結(jié)構(gòu)設計勢必更加靈活、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材料和有機材料。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，這類方法耗時長、成本高、工藝復雜。有機材料的出現(xiàn)為微芯片的制作開啟了一個新的方向。與無機材料相比,有機材料易加工、成本低、加工工藝簡單。有機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模上,給予一定的溫度和時間來完成PDMS的固化,以此實現(xiàn)通道由陽模到PDMS的復制。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先制作好的陽模上,進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,如陽模的制作工藝復雜、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),該方法大大簡化了制作工藝,降低了成本,并且檢測限(Limitofdetection,LOD)很低。Junior等采用激光打印技術(shù)制作微通道的陽模(圖4B),避免了原先復雜的陽模制造工藝,在一定程度上簡化了制造工藝。Junior等采用聚醋酸乙烯酯作為光刻膠制備了微通道的陽模,該方法不需要在潔凈室條件下進行,并且可直接用水替代有機溶劑對紫外光照射后的模板進行成型。采用乙烯基薄膜制作出掩模板,進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,如何快速、便捷地加工出檢測電極上的絕緣層也是近年來的研究熱點之一。除了常用的SiC、SiO2等材料的絕緣層,很多學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重要的研究領域,通常采用Lift-off法，該方法對設備與環(huán)境要求高、耗時長、成本高。因而很多學者尋求一些新的方法來制作微芯片的電極,以簡化加工工藝,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。文獻分別在氧化銦錫覆蓋的導電玻璃和PET上采用刻蝕工藝制作電極,此類方法的共性是在帶有導電層的基底上采用刻蝕工藝去除電極以外的導電材料。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),在微通道層上同時加工了電極通道,將低熔點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溫度)注入到電極通道中。類似地,Junior等選用離子溶液作為導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備、耗時短、成本低。

降低成本、簡化制作工藝、減少耗時是當前微芯片的發(fā)展趨勢。然而要實現(xiàn)微芯片電泳技術(shù)的普通應用,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,同時還出現(xiàn)會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坍塌變形,這對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下生成的離子、電子、自由基以及各種活性基團(統(tǒng)稱為等離子體)在物質(zhì)表面生成自由基、官能團以及引發(fā)接枝聚合,進而改變物體的表面特性。該方法可以極好地提高有機材料表面的親水性,但改性效果持續(xù)時間很短,在數(shù)小時后就會回復到起始狀態(tài)。因此很多研究者在等離子體處理的基礎上輔以其它方法來彌補這一缺點。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PDMS表面進行改性(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遷移率提高了一個數(shù)量級。去甲腎上腺素是一種神經(jīng)遞質(zhì),也可以對PDMS表面進行改性,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。

其他學者對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)涂覆的方式實現(xiàn)PMMA芯片的低溫鍵合。類似于PDMS,表面涂覆也可以對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管道進樣困難、氣泡堵塞問題,提高了EOF遷移率,進而提高了電泳分離速度,同時也降低了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驗室階段,很多方法的實用性并不強,改性特性不穩(wěn)定、涂覆材料粘附性不足、工藝繁瑣等缺點還需要進一步改進。

5實驗方法

目前,微芯片電泳實驗方法比較熱門的兩個研究方向是進樣(Sampleinjection)和預濃縮(Precon-centration)。

樣品的進樣方式在很大程度上決定了檢測結(jié)果的有效性,如何將樣品精準地輸入到指定位置是近來年微芯片電泳領域的研究熱點。Tsai等通過仿真系統(tǒng)地研究了多種進樣方法及其優(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)。對于十字交叉結(jié)構(gòu)與Double-T結(jié)構(gòu),一般采用電動進樣法,它的原理是利用電場作用下芯片中的EOF來推動液體的整體移動,該方法雖然操作方便,但由于電泳力的存在會使得離子分離,存在檢測偏差。Double-T結(jié)構(gòu)相對于十字交叉結(jié)構(gòu),增加了進樣通道與分離通道交叉位置處的樣品量進而提高了檢測精度。對于這兩種結(jié)構(gòu)常用的電動進樣方法有有十字進樣法、回流進樣法、Double-L進樣法等。對于T型結(jié)構(gòu),一般采用壓力進樣,壓力進樣是指通過外界輔助裝置施加一定的壓力將待測樣品注入微芯片中,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,對實驗條件以及裝置的要求很高。也有少數(shù)文獻在T型結(jié)構(gòu)中采用電動進樣,該方法對進樣時間以及進樣電壓的控制要求較高,一般采用全自動進樣。

圖5(A)去離子水在PDMS基底上的光學顯微照片。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測得的改性厚度為400nm[46]。(C)左:采用PPAA法對PDMS改性;右:原始PDMS以及PPAA改性后PDMS的水接觸角[47]。(D)采用Pt絲進行空間控制局部電暈放電的原理及實物圖[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間的變化趨勢[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,一些學者在進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)進樣器,提高了微芯片的檢測分辨率和每次進樣的重復性。Ha等采用微注射器與針刺的方法實現(xiàn)了納升級的連續(xù)進樣,該方法減少了試劑消耗,并且可以在微通道的任意位置進行進樣。Ha等采用預先設定好體積的微芯片腔作為一個“進樣圈(Injectionloop)冶,通過控制進樣圈周邊的4個微閥的開關(guān)實現(xiàn)了定量進樣,該方法既能有效消除電動進樣產(chǎn)生的離子偏差,又能很好地控制進樣的精度。

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。如何將待測樣品的濃度值預濃縮是微芯片電泳領域一個重要的方向。Cong等采用氣動閥對樣品進行了濃縮(圖7A),當氣動閥關(guān)閉時,高電壓可以擊穿氣動閥使得電流通過但液體卻無法通過,進而將待測樣品中的離子在氣動閥上游不斷濃縮,該方法可在230s內(nèi)將樣品濃縮約450倍。Chiu等設計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(Ionconcentrationpolarization,ICP)對待測樣品進行了預濃縮,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)以及場放大進樣(Field-ampli-fiedsampleinjection,FASI)技術(shù)對樣品進行了在線濃縮,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7兩種預濃縮方法。(A)采用氣動閥結(jié)構(gòu)[63]和(B)采用LVSEP及FASI對樣品進行濃Fig.7Preconcentrationusing(A)apneumaticmicrovalve[63]and(B)LVSEPcombinedwithFAS

進樣與預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的準確性與應用范圍,然而目前很多研究都處于實驗室階段,離應用還有較大的距離。

6微芯片電泳在離子檢測中的應用

微芯片電泳相對于其它檢測技術(shù),具有檢測迅速、消耗試劑少、易于集成化等優(yōu)勢。近年來,C4D檢測的微芯片電泳在離子檢測方面的應用逐漸成為熱門研究領域。在醫(yī)療檢測領域,檢測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,對于口服過鋰制劑的患者,血液中鋰的含量應嚴格控制在一定的范圍內(nèi)。Floris和Staal等先后制作并改進了一種即時檢測(Pointofcare,POC)的微芯片,并用于檢測血液中的Li+含量,進而輔助治療躁郁癥。重金屬離子(如Pb2+、Hg2+、Cd2+)以及過量的金屬離子都會給人體帶來非常嚴重的健康問題。微芯片電泳同樣吸引了眾多研究者在環(huán)境檢測以及污水處理領域進行應用研究。Liu等開發(fā)了一種基于C4D的微芯片對Mn2+、Cd2+、Co2+、Cu2+的標準溶液進行了檢測。Yan等采用PDMS/PET材料制作了微芯片,對湘江水中的Zn2+、Cd2+、Cu2+等離子進行了檢測。Freitas等采用微芯片電泳技術(shù)分別對魚缸水、生物肥料以及河水中的Cl-、NO-3、SO2-4、NO-2等離子進行了檢測。近年來,農(nóng)業(yè)方面提出了精準農(nóng)業(yè)的概念,精準施肥、水肥一體化成為農(nóng)業(yè)管理方面重要的研究方向,然而對土壤中養(yǎng)分離子的精準檢測是實現(xiàn)精準施肥的前提。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。Smolka等基于C4D微芯片電泳研發(fā)了一種便攜式儀器對土壤中的養(yǎng)分離子進行了檢測。Xu等研制了一種土壤水提取器,并結(jié)合微芯片電泳對土壤中的養(yǎng)分離子進行了實測。

近年來微芯片電泳在離子檢測中的應用匯總于表1。

表1近年來微芯片電泳在離子檢測中的應用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。然而其高昂的制作成本、費時的制造工藝將這一類產(chǎn)品的應用范圍限定在實驗室以及特殊的應用領域。商業(yè)化的產(chǎn)品與實驗室的原理芯片存在較大的距離,在許多應用細節(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、如何保證儀器檢測的穩(wěn)定可靠、如何去克服一些盲區(qū)操作(例如進樣過程中引入了氣泡)、如何讓未經(jīng)訓練的普通工作人員操作專業(yè)化設備。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域的技術(shù)難點,在電泳微芯片中待測進樣是核心問題。電動進樣雖然方便快捷,但電泳力的存在使得檢測值偏離實際值;壓力進樣則對設備與環(huán)境的要求較高。要實現(xiàn)微芯片電泳的普遍應用,亟需一種簡易、精準的進樣技術(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,還應在以下兩個方面繼續(xù)做更多的研究工作。一方面是對樣品的有效提取與處理,即前處理,應包括所測樣品中待測離子的可靠提取及低濃度樣品的預濃縮,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別。另一方面是對檢測信號的可靠識別,即根據(jù)所測信號快速、精準地得出待測樣品中各離子的種類與濃度,這需要大量的標定實驗作為依據(jù),這方面的工作在文獻中也鮮有報道。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入微芯片制作領域,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,微芯片的制作勢必進一步簡化,會在很大程度上推動微芯片電泳的發(fā)展。目前,微芯片電泳主要應用于生物、醫(yī)療、環(huán)境、土壤學等領域,雖然這些應用僅處于起步階段,在應用中有很多技術(shù)問題亟待解決,但是微芯片電泳的應用前景不應只限于這些領域,在未來將會作為一種傳感元器件甚至是功能元器件應用于更多領域。

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