1、微芯片电泳研究进展及其在离子检测中的应用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。关键词 微芯片电泳；离子检测；表面改性；预浓缩； 评述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13。
2、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 46。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 7 9 ，其中微芯片电泳( Microchip electrophoresis , ME)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10 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
3、出掀起了微芯片电 泳的研究热潮。 2001 年， Guijt 等11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
4、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(Electroosmotic flow， EOF)及电泳的作用12， 13，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
5、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 14， 15。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。2 结构Manz等10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 1 6 ，在玻璃基底上刻
6、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11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 (Capacitatively coupled contactless conductivity detection ， C4D)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(Integrated electrodes microchip ， IEM) 与
7、外部电极式( External electrodes microchip ， EEM)。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17。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18 。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 ?z 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。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
8、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19 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20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21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
9、力 “劈开 -进样”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22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23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 24， 25。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。 3
10、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26，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 27，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
11、的固化， 以此实现通道由阳模到 PDMS 的复制 28 。热 塑性材料以聚甲基丙烯酸甲酯( Polymethyl methacrylate ， PMMA)为代表，通常采用热压工艺制作微通道 29，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30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(Limit of de
12、tection ， LOD)很 低。Junior等31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32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。 Santana等33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
13、缘层加工工艺。Liu等34采用旋涂稀释的PDMS的方法在电极上生成了 一层0.6卩m厚的绝缘层，将Na+的检出限降低到了 0.07卩 mol/L ； Liu等35采用50卩m厚的PMMA薄膜作？榫？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36，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。 Henderson 等37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
14、 20倍。文献38 , 39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 40， 41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42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43， 44，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
15、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。110 之间4548。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45。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 49。研究者们提出了一系列方法 以改善有机材料的表面特性
16、，即表面改性。等离子体处理(Plasma treatment)与表面涂覆( Surface coating)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 45。 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45采用聚乙二醇 (Polyethylene glycol， PEG涂覆与氧等离子体(O2 plasma)处理相结合的方
17、法对 PDMS表面进行改性 (图5A)，将PDMS的亲水状态维持 102ho Bashir等47采用等离子体聚合丙烯酸 (Plasma polymerized acrylic acid, PPAA法将PDMS从疏水状态变为亲水状态 (图5C)。如图5D所示，Park等48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，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50利用去甲肾上腺素将 PDMS的水接触角降低至13 o 表面涂覆也可以改善 PDMS的亲水性，活性聚乙烯基硅氮烷(Poly
18、vinylsilazane, PVSZ 46(图 5B)、聚丙烯酸(Poly (acrylic acid)， PAAc) 49等多种表面涂覆材料可以很好地改善 PDMS 的表面特性。 41 Thredgold L D, Khodakov D A, EllisaA V， Lenehan C E. Analyst， 2013， 138(15)： 4275-427942Junior G D, Silva J A F, Francisco K J M, Lago C L, Carrilho E, Coltro W K T. Electrophoresis, 2015, 36(16)： 1935-194
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