微芯片电泳研究进展及其在离子检测中的应用

摘要

微芯片电泳具有检测迅速、易于便携化、消耗试剂少等优点,成为离子检测诸多手段中的热门方法。本文在介绍微芯片电泳原理的基础上,从微芯片电泳的结构、材料、制作工艺、表面改性、实验方法及其在离子检测中的应用等多个方面进行了综述,并对存在的问题以及未来的研究方向进行了总结和展望。

1引言

离子检测在环境监测、土壤养分管理、医疗检测等方面具有重要的作用和意义。测量水体与陆地环境中的养分离子、重金属离子的含量对治理富营养化与重金属污染具有重要意义。血液及尿液中某些离子的浓度是衡量身体是否健康的指标之一。如何快速、简便地实现离子检测一直是相关的研究热点。传统的离子分析方法一般在实验室条件下进行,存在检测成本高、周期长、功能单一等缺点,在很大程度上阻碍了离子检测技术的普遍应用。多种新的离子检测方法应运而生，其中微芯片电泳技术以检测迅速、易于便携化、可同时检测多种离子、消耗试剂少等优点脱颖而出。

20世纪90年代,Manz等首先提出了微全分析系统的概念,将实验室条件下进行的生物、化学等方面的检测实验压缩到一张芯片上进行,这一概念的提出掀起了微芯片电泳的研究热潮。2001年,Guijt等提出了非接触电导检测法,该方法避免了检测电极的腐蚀并降低了分离高压对检测信号的影响,进而延长了检测电极的使用寿命,提高了检测精度,它的提出是微芯片电泳技术的另一个里程碑。

如图1A所示,一个微芯片电泳系统主要由微芯片、分离高压、信号发生与采集模块以及信号后处理模块构成。图1A和1B是传统微芯片电泳的进样与分离示意图,首先从微芯片的1端口将缓冲液注入到芯片的所有通道内,缓冲液的作用是缓解高压电场下溶液特性的改变,如pH值、导电性等;然后从3端口通过电动进样或压力进样的方法注入待测样品液;开启c信号发生与采集模块,对检测区进行实时检测;1、2端口施加直流高压,溶液中的离子由于电渗流及电泳的作用，会沿着水平通道迁移并分离。图1C是电渗流及电泳作用下的离子运动示意图。按照双电层理论,固液两相接触时,会在靠近固体的水溶液中形成双电层,即紧密层与扩散层,所谓电渗流是指在电场作用下扩散层中离子定向移动进而推动整个流体进行块状运动;而电泳是指带电粒子在电场作用下的定向移动,离子的运动是电渗流与电泳作用下的合运动。不同离子的运动速度是不同的,可以根据离子到达检测电极处的时间判断离子的种类。对于电导检测法而言,检测区设置了检测电极,当溶液中离子流经电极处时,检测到的电导值会发生变化,进而根据电导值的变化量得出离子的浓度。

本文在介绍原理的基础上,总结了近年来微芯片电泳的研究进展,从结构、材料、制作工艺、表面改性、实验方法及其在离子检测中的应用等多个方面对微芯片电泳进行了综述,讨论了目前存在的问题及未来的发展方向,以期为后续的研究提供参考与借鉴。

图1微芯片电泳检测原理。(A)微芯片电泳系统框图,a-微芯片,b-分离高压,c-信号发生与采集模块,d-信号后处理模块;(B)传统微芯片电泳进样与分离示意图;(C)电渗流及电泳引起的离子运动示意图,veo-电渗流引起的运动,vep-电泳引起的运动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结构

Manz等于1990年提出的微全分析系统由进样、样品传输、样品预处理以及检测等多个环节构成,这一概念的提出为微芯片电泳的发展提供了方向。之后又于1992年提出了微芯片电泳的结构雏形，在玻璃基底上刻蚀出两个相交的通道,分别采用电动进样与电泳分离的方法实现了待测样品的注入与分离。2001年,Guijt等提出了基于非接触电导检测的微芯片结构,在检测电极上覆盖了SiC薄层,避免了检测电极的腐蚀并降低了分离过程中高压对检测信号的干扰。自此,微芯片电泳-电容耦合非接触电导检测的结构以此为原型衍生发展开来。根据通道层与检测电极层的装配关系,可将电泳微芯片的结构分为一体式与外部电极式。

两种典型的电泳微芯片结构如图2所示。图2A是一种电极层与通道层集成一体的微芯片,其通道层与电极层是粘合、不可拆卸的。图2B是一种外部电极式结构的微芯片,其通道层与电极层是独立的,可以根据需要改变检测电极的位置。一体式芯片的加工难度大于外部电极式,对电极层与通道层的材料有特定的粘合要求,但检测精度高;外部电极式芯片的通道层与电极层是独立的,使用灵活,然而组装过程中电极与通道存在对准误差,检测精度以及重复性相对较差。

图2两种典型的电泳微芯片结构:(A)一体式结构实例[17];(B)外部电极式结构实例[18]Fig.2Twotypicalstructuresofelectrophoresismicrochip:(A)Instanceofintegratedelectrodesmicrochip(IEM)[17];(B)Instanceofexternalelectrodesmicrochip(EEM)[18]

其他研究者根据各自的需要设计了多种结构的微芯片,或改进进样方式,或实现阴阳离子的同时检测,或提高检测精度,或简化制作工艺等,但基本都在上述范畴之内。Vazquez等将PDMS通道层与玻璃薄片可逆地粘接在一起,固定在刻有铜电极的PCB板上构成EEM芯片。该玻璃薄片既是通道层的组成部分,同时也起到绝缘层的作用,避免溶液与检测电极的接触。Puchberger-Enengl等在玻璃片上构建了Pt电极并覆盖了绝缘层,进而与微通道层粘接在一起构成完整的IEM芯片(图3A)。Gaudry等提出了一种双通道顺序进样的微芯片(图3B),该芯片采用了平面电极结构,即通道层与电极层构筑在同一基底上,采用水动力“劈开-进样冶的方法实现了自动连续地进样。该结构不仅实现了阴阳离子的同时检测,而且采用了水动力进样使得样本离子的分布更加均匀。Mahabadi等提出了一种双上-下C4D电极的微芯片结构,大大提高了微芯片电泳的检测精度;之后Ansari等基于该微芯片研发了一种便携式Lab-on-chip设备,并有效地检测了果汁中的有机酸、无机酸以及兔子血样本、人血清样本中的离子(图3C)。其他学者也分别提出了多种满足各自功用的芯片结构。当前微芯片电泳的结构呈现出多样化、功能化的发展趋势,随着更多加工技术的引入,微芯片的结构设计势必更加灵活、多样。

图3几种具有代表性的电泳微芯片衍生结构:(A)玻璃片基底的一体式微芯片[20];(B)双通道顺序进样的微芯片电泳系统；(C)双上-下外部电极式微芯片及据此研发的Lab-on-chip设备[22,23]Fig.3Severaltypicalstructuresofelectrophoresismicrochip:(A)Glass-basedIEM[20];Dual-Channelsequentialinjectionmicrochipelectrophoresissystem[21];(C)Microchipwithdualtop-bottomexternalelectrodes[22]andlab-on-chipdevicebasedonit

3材料选择与制作工艺

不同的材料需采用不同的工艺,微芯片的制作材料通常分为无机材料和有机材料。早期的微芯片制造工艺源自于MEMS技术，硅、石英和玻璃是常用的制作材料,采用光刻、腐蚀等工艺来制作微通道，这类方法耗时长、成本高、工艺复杂。有机材料的出现为微芯片的制作开启了一个新的方向。与无机材料相比,有机材料易加工、成本低、加工工艺简单。有机材料可分为热固性材料和热塑性材料。热固性材料以聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane,PDMS)为代表,将PDMS预聚物与固化剂按照一定比例混合搅匀,倒在刻有微通道的阳模上,给予一定的温度和时间来完成PDMS的固化,以此实现通道由阳模到PDMS的复制。热塑性材料以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)为代表,通常采用热压工艺制作微通道，将PMMA材料在一定温度下压在预先制作好的阳模上,进而制作出所需的微通道。

尽管上述传统加工工艺为微芯片提供了很好的制作途径,但依然存在一些不足之处,如阳模的制作工艺复杂、制备环境要求洁净室条件等。近年涌现出很多新的微芯片制作工艺,Chagas等采用纸基电极层与PMMA通道层粘合的方法制作了电泳微芯片(图4A),该方法大大简化了制作工艺,降低了成本,并且检测限(Limitofdetection,LOD)很低。Junior等采用激光打印技术制作微通道的阳模(图4B),避免了原先复杂的阳模制造工艺,在一定程度上简化了制造工艺。Junior等采用聚醋酸乙烯酯作为光刻胶制备了微通道的阳模,该方法不需要在洁净室条件下进行,并且可直接用水替代有机溶剂对紫外光照射后的模板进行成型。采用乙烯基薄膜制作出掩模板,进而采用湿法腐蚀制造了微通道,该方法避免了繁琐的光刻工艺,提高了加工效率。与此同时,如何快速、便捷地加工出检测电极上的绝缘层也是近年来的研究热点之一。除了常用的SiC、SiO2等材料的绝缘层,很多学者也尝试了一些新的绝缘层加工工艺。Liu等采用旋涂稀释的PDMS的方法在电极上生成了一层0.6um厚的绝缘层,将Na+的检出限降低到了0.07umol/L;Liu等采用50um厚的PMMA薄膜作为绝缘层制作了微芯片,更为便捷(图4C)。

电极制备一直都是一个重要的研究领域,通常采用Lift-off法，该方法对设备与环境要求高、耗时长、成本高。因而很多学者寻求一些新的方法来制作微芯片的电极,以简化加工工艺,降低制作成本。

图4多种微芯片及电极的制作方法:(A)纸基芯片的制作过程；(B)采用激光打印模板制作微芯片；C)采用PMMA薄膜作为绝缘层的微芯片;(D)聚苯胺电极微芯片[37];(E)低熔点合金电极微芯片;(F)离子溶液电极微芯片[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基底上打印了一层聚苯胺(Polyaniline,PANI)作为电极(图4D),将电极的制作成本降低了20倍。文献分别在氧化铟锡覆盖的导电玻璃和PET上采用刻蚀工艺制作电极,此类方法的共性是在带有导电层的基底上采用刻蚀工艺去除电极以外的导电材料。另一种电极制作方法比较特别,采用注射的方法制作电极(图4E),在微通道层上同时加工了电极通道,将低熔点的合金或金属在合适的温度下(低于材料的玻璃化温度且高于电极材料的熔点温度)注入到电极通道中。类似地,Junior等选用离子溶液作为导电材料注入通道中构建电极(图4F)。此外,采用丝网印刷技术也可以很方便地制作电极，该方法不需要昂贵的设备、耗时短、成本低。

降低成本、简化制作工艺、减少耗时是当前微芯片的发展趋势。然而要实现微芯片电泳技术的普通应用,如何批量化地制作出一致性好的微芯片也是不容忽视的研究方向。

4表面改性

PDMS与PMMA由于成本低、易加工、性能稳定,得到广泛应用。PDMS是一种疏水材料,水接触角在100毅~110毅之间。PDMS固有的疏水性使得在微通道中注入液体变得困难,同时还出现会气泡堵塞于微通道中无法排除的情况。此外,其较弱的EOF迁移率增加了离子分离的时间。PMMA材质的微芯片一般采用热压键合的方法制作而成,由于材料的热塑性,在热压的过程中微通道会坍塌变形,这对于芯片的制作是不利的。研究者们提出了一系列方法以改善有机材料的表面特性,即表面改性。等离子体处理(Plasmatreatment)与表面涂覆(Surfacecoating)是常用的表面改性方法。

等离子体处理是指在高压电场下生成的离子、电子、自由基以及各种活性基团(统称为等离子体)在物质表面生成自由基、官能团以及引发接枝聚合,进而改变物体的表面特性。该方法可以极好地提高有机材料表面的亲水性,但改性效果持续时间很短,在数小时后就会回复到起始状态。因此很多研究者在等离子体处理的基础上辅以其它方法来弥补这一缺点。Long等采用聚乙二醇(Polyethyleneglycol,PEG)涂覆与氧等离子体(O2plasma)处理相结合的方法对PDMS表面进行改性(图5A),将PDMS的亲水状态维持102h。Bashir等采用等离子体聚合丙烯酸(Plasmapolymerizedacrylicacid,PPAA)法将PDMS从疏水状态变为亲水状态(图5C)。如图5D所示,Park等采用溶胶-凝胶工艺实现了PDMS微通道空间控制的二氧化硅涂覆,将PDMS的水接触角降低至76毅,并将EOF迁移率提高了一个数量级。去甲肾上腺素是一种神经递质,也可以对PDMS表面进行改性,Chen等利用去甲肾上腺素将PDMS的水接触角降低至13毅。表面涂覆也可以改善PDMS的亲水性,活性聚乙烯基硅氮烷(Polyvi-nylsilazane,PVSZ)(图5B)、聚丙烯酸(Poly(acrylicacid),PAAc)等多种表面涂覆材料可以很好地改善PDMS的表面特性。

其他学者对PMMA的改性也做了很多工作。Yu等采用氧等离子体处理以及聚乙烯醇(Polyvi-nylalcohol,PVA)涂覆的方式实现PMMA芯片的低温键合。类似于PDMS,表面涂覆也可以对PMMA产生很好的改性效果,甲基纤维素(Methylcellulose,MC)、聚乙烯吡咯烷酮(Poly(vinylpyrrolidone),PVP)以及羟丙基甲基纤维素((Hydroxypropyl)methylcellulose,HPMC)(图5E)也是很好的表面涂覆材料。

表面改性消除了PDMS管道进样困难、气泡堵塞问题,提高了EOF迁移率,进而提高了电泳分离速度,同时也降低了PMMA的键合温度,减少了PMMA制作过程中的管道变形。然而现有的研究还停留在实验室阶段,很多方法的实用性并不强,改性特性不稳定、涂覆材料粘附性不足、工艺繁琐等缺点还需要进一步改进。

5实验方法

目前,微芯片电泳实验方法比较热门的两个研究方向是进样(Sampleinjection)和预浓缩(Precon-centration)。

样品的进样方式在很大程度上决定了检测结果的有效性,如何将样品精准地输入到指定位置是近来年微芯片电泳领域的研究热点。Tsai等通过仿真系统地研究了多种进样方法及其优化问题。常用的微芯片通道形状如图6所示,有十字交叉结构、Double-T结构以及T型结构。对于十字交叉结构与Double-T结构,一般采用电动进样法,它的原理是利用电场作用下芯片中的EOF来推动液体的整体移动,该方法虽然操作方便,但由于电泳力的存在会使得离子分离,存在检测偏差。Double-T结构相对于十字交叉结构,增加了进样通道与分离通道交叉位置处的样品量进而提高了检测精度。对于这两种结构常用的电动进样方法有有十字进样法、回流进样法、Double-L进样法等。对于T型结构,一般采用压力进样,压力进样是指通过外界辅助装置施加一定的压力将待测样品注入微芯片中,该方法采用加压的方法将极少量的样品注入到微通道的特定位置,对实验条件以及装置的要求很高。也有少数文献在T型结构中采用电动进样,该方法对进样时间以及进样电压的控制要求较高,一般采用全自动进样。

图5(A)去离子水在PDMS基底上的光学显微照片。上:O2-plasma处理后5min、1h、3h的水接触角;下:O2-plasma-PEG处理后5min、2h、20h、60h、420h的水接触角[45]。(B)左:PVSZ改性的PDMS通道界面SEM图像;右:微通道表面AFM测得的改性厚度为400nm[46]。(C)左:采用PPAA法对PDMS改性;右:原始PDMS以及PPAA改性后PDMS的水接触角[47]。(D)采用Pt丝进行空间控制局部电晕放电的原理及实物图[48]。(E)左:旋涂PVA、HPMC前后PMMA的水接触角;右:室温下PVA、HPMC改性后水接触角随时间的变化趋势[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

近年来,一些学者在进样方面提出了一些新的方法。Gabriel等采用0.6uL的电子微量吸液管作为微芯片的水力(Hydrodynamic,HD)进样器,提高了微芯片的检测分辨率和每次进样的重复性。Ha等采用微注射器与针刺的方法实现了纳升级的连续进样,该方法减少了试剂消耗,并且可以在微通道的任意位置进行进样。Ha等采用预先设定好体积的微芯片腔作为一个“进样圈(Injectionloop)冶,通过控制进样圈周边的4个微阀的开关实现了定量进样,该方法既能有效消除电动进样产生的离子偏差,又能很好地控制进样的精度。

目前,微芯片电泳的检出限约为10-7~10-6mol/L,然而很多情况下要求更低检出限。如何将待测样品的浓度值预浓缩是微芯片电泳领域一个重要的方向。Cong等采用气动阀对样品进行了浓缩(图7A),当气动阀关闭时,高电压可以击穿气动阀使得电流通过但液体却无法通过,进而将待测样品中的离子在气动阀上游不断浓缩,该方法可在230s内将样品浓缩约450倍。Chiu等设计了一种收缩型微通道,并将Nafion-nanoporous膜引入到芯片中,利用微观界面下的离子浓缩极化效应(Ionconcentrationpolarization,ICP)对待测样品进行了预浓缩,可以将样品浓缩约500倍。如图7B所示,Kitagawa等采用电渗流泵的大体积样品堆叠(Large-volumesamplestackingwithanelectroosmoticflowpump,LVSEP)以及场放大进样(Field-ampli-fiedsampleinjection,FASI)技术对样品进行了在线浓缩,大大降低了芯片的检出限。

图63种不同的微芯片通道结构:(A)十字交叉结构;(B)Double-T交叉结构;(C)T型结构。Fig.6Threestructuresofmicrochipchannel.(A)Tra-ditionalcrossingstructure;(B)Double-Tcrossingstruc-ture;(C)SingleTstructure.

图7两种预浓缩方法。(A)采用气动阀结构[63]和(B)采用LVSEP及FASI对样品进行浓Fig.7Preconcentrationusing(A)apneumaticmicrovalve[63]and(B)LVSEPcombinedwithFAS

进样与预浓缩是微芯片电泳的关键技术,在很大程度上决定了微芯片电泳检测的准确性与应用范围,然而目前很多研究都处于实验室阶段,离应用还有较大的距离。

6微芯片电泳在离子检测中的应用

微芯片电泳相对于其它检测技术,具有检测迅速、消耗试剂少、易于集成化等优势。近年来,C4D检测的微芯片电泳在离子检测方面的应用逐渐成为热门研究领域。在医疗检测领域,检测人体血液中的某些离子成分及浓度是一种非常必要的辅助医疗手段。锂制剂是一种治疗躁郁症(Biopolardisorder)非常有效的药品,对于口服过锂制剂的患者,血液中锂的含量应严格控制在一定的范围内。Floris和Staal等先后制作并改进了一种即时检测(Pointofcare,POC)的微芯片,并用于检测血液中的Li+含量,进而辅助治疗躁郁症。重金属离子(如Pb2+、Hg2+、Cd2+)以及过量的金属离子都会给人体带来非常严重的健康问题。微芯片电泳同样吸引了众多研究者在环境检测以及污水处理领域进行应用研究。Liu等开发了一种基于C4D的微芯片对Mn2+、Cd2+、Co2+、Cu2+的标准溶液进行了检测。Yan等采用PDMS/PET材料制作了微芯片,对湘江水中的Zn2+、Cd2+、Cu2+等离子进行了检测。Freitas等采用微芯片电泳技术分别对鱼缸水、生物肥料以及河水中的Cl-、NO-3、SO2-4、NO-2等离子进行了检测。近年来,农业方面提出了精准农业的概念,精准施肥、水肥一体化成为农业管理方面重要的研究方向,然而对土壤中养分离子的精准检测是实现精准施肥的前提。一些研究者尝试将微芯片电泳用于土壤养分离子的检测。Smolka等基于C4D微芯片电泳研发了一种便携式仪器对土壤中的养分离子进行了检测。Xu等研制了一种土壤水提取器,并结合微芯片电泳对土壤中的养分离子进行了实测。

近年来微芯片电泳在离子检测中的应用汇总于表1。

表1近年来微芯片电泳在离子检测中的应用Table1ApplicationofMEinionsdetectioninrecentyears

7问题与展望

微芯片电泳发展至今已经走过了近三十年的历程,逐渐完善改进。然而其高昂的制作成本、费时的制造工艺将这一类产品的应用范围限定在实验室以及特殊的应用领域。商业化的产品与实验室的原理芯片存在较大的距离,在许多应用细节上存在着需要克服的难题,例如如何将所有的功能元件集成化又不产生彼此之间的互相干扰、如何保证仪器检测的稳定可靠、如何去克服一些盲区操作(例如进样过程中引入了气泡)、如何让未经训练的普通工作人员操作专业化设备。这些问题还需要研究人员与工程技术人员去解决。

样品的精确微纳尺度下流体的精确控制一直是微流控领域的技术难点,在电泳微芯片中待测进样是核心问题。电动进样虽然方便快捷,但电泳力的存在使得检测值偏离实际值;压力进样则对设备与环境的要求较高。要实现微芯片电泳的普遍应用,亟需一种简易、精准的进样技术。

微芯片电泳技术要真正地走向实用化,不仅要克服上述问题,还应在以下两个方面继续做更多的研究工作。一方面是对样品的有效提取与处理,即前处理,应包括所测样品中待测离子的可靠提取及低浓度样品的预浓缩,这方面的研究刚起步,并且不同样品的离子提取方法千差万别。另一方面是对检测信号的可靠识别,即根据所测信号快速、精准地得出待测样品中各离子的种类与浓度,这需要大量的标定实验作为依据,这方面的工作在文献中也鲜有报道。微芯片电泳技术这两方面的工作是必不可少的,既是挑战,也是机遇。

随着技术的发展、制造工艺的革新,一些新的制作方法逐步进入微芯片制作领域,如3D打印技术、纸芯片、超声加工等。随着这些技术的引入,微芯片的制作势必进一步简化,会在很大程度上推动微芯片电泳的发展。目前,微芯片电泳主要应用于生物、医疗、环境、土壤学等领域,虽然这些应用仅处于起步阶段,在应用中有很多技术问题亟待解决,但是微芯片电泳的应用前景不应只限于这些领域,在未来将会作为一种传感元器件甚至是功能元器件应用于更多领域。

文献来源分析化学DOI:10.11895/j.issn.0253-3820.171521作者：杨明鹏黄哲谢洋尤晖（转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）