陈缵光 药物分析与药物筛选的微流控芯片 2014-9

检出限： K+ ：5.0 ×10-7 mol/L Na+ ：1.0 ×10-7 mol/L
27
二. 芯片分析仪—仪器研制
（3）安培检测 3.检测器 原理与装置 电活性物质在电极上发生氧化还原反应产生响应电流
OH
高压电源
CH3O HO
O
CH3O O
OH O
+
H+
+ e
毛细管 参比电极 缓冲液瓶
工作电极
（C）三层结构的PMMA电泳芯片
超薄隔离层 0.5μm,
检出限达 0.07 μM
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（1）非接触电导检测
（D）基于ITO玻璃盖片的芯片
ITO玻璃 既作盖片， 又作非接触电极
Jing Zhao, Zuanguang Chen∗, Xinchun Li, Jianbin Pan, Talanta, 85 (2011) 2614– 2619
差示脉冲安培检测法基线最稳定
差示脉冲法
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（4）电化学发光检测
Ru(bpy)32+ - e ----→ Ru(bpy)33+ Ru(bpy)33++分析物 ----→ Ru(bpy)32+ + hν
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器 复合电极：
（4）电化学发光检测 (1) platinum wire (4) glass tubing
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器 斜面电极：
（4）电化学发光检测
检出限降低近一个 数量级
Jianbin Pan, Xinchun Li, Zuanguang Chen∗, Fan Yang, Xiaohang Wu, Yinbao Li, Duanping Sun, Yanyan Yu, Electrochim Acta, 90, 101– 107, 2013
热键合
改性
二. 芯片分析仪—仪器研制
2.专用微型电源
供电 电路 振荡 电路 单片 机 压电陶瓷 整流电路 (A) 进样电压 输出 分离电 压输出
多倍压整流 电路(B) 参数显示(LED)
操作面板
独立单元(烟盒大小) 程控PEC微型电源结构图
二. 芯片分析仪—仪器研制
2.专用微型电源
陈缵光等，高等学校化学学报，2004, 25(supl)，26
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － －－ － － － － － － － － －
粒子在毛细管内电介质中的运动速度是电泳和电渗两种速度 的矢量和，即
ap ef eo
ap ef eo
或用淌度表示：
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（2）电解质介导电导检测
分离通道
检测通道：电解质溶液
童艳丽，李偶连，刘翠，李想，杨秀娟，陈缵光*. 微流 控芯片电解质介导连接在柱式电导检测. 分析化学， 2009，33（7）：1088-1092.
26
二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（2）电解质介导电导检测
Chen ZG, Li QW, Li OL, et al. Talanta, 2007, 71, 1944
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（1）非接触电导检测
（B）集成电极包埋式的芯片
1 玻璃基片，2 PDMS薄膜 3 PDMS盖片 4 嵌入PDMS盖片的集成电极板
Ou-Lian Li, Yan-Li Tong, Zuan-Guang Chen*, Chromatographia, 2008, 68, 1039–1044
微流控分析芯片： 成分分析----分离分析法
在微流控芯片中进行成分萃取、化 微流控功能芯片： 学合成、药物筛选等
一. 微流控芯片
微流控分析芯片：目前主要为芯片毛细管电泳
微液流控制 进样、液相流动
分析芯片 系统
芯片 进样通道 分离通道
检测器 对成分响应，获取信息
芯片分析仪基本单元： 高压电源、芯片、检测器
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（1）非接触电导检测
（C）三层结构的PMMA电泳芯片
Junshan Liu, Junyao Wang, Zuanguang Chen, Lab on a Chip， 2011, 11, 969–973
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（1）非接触电导检测
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（5） LED诱导荧光检测
F Yang, Z Chen*, Talanta，2011, 84, 1099–1106.
荧光强度：F = 2.3 I0 l c = Kc
激光诱导荧光检测：灵敏度很高; 但体积大, 昂贵。 LED诱导荧光检测：灵敏度略差; 但体积很小, 很便宜。 35
chip
reservoirs
C2
高频信号
electrodes
接收放大
记录
CCD
总阻抗
1 2 C1 (C1 C 2 ) R 2 1 1 R Z j 2 2 2 jC 2 1 R jC1 1 C1 R C 2 (1 2 C12 R 2 )
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二. 芯片分析仪—仪器研制
一. 微流控芯片
分析芯片
影响电泳分离的主要因素
1 缓冲溶液 (1) 成分(种类)：涉及与被测组分的相互作用 (2) 总浓度：总浓度越大, 分离效果越好。但过高使电 流增大, 发热使温度升高, 分离度反而下降。 (3) 浓度比：影响溶液pH (4) pH：影响被测组分的荷电情况 2 添加剂 有时可以提高组分的分离度, 改善峰形, 提高灵敏度 如：有机溶剂, 表面活性剂, β-CD等 3 分离电压 分离电压越高, 分离效果越好。过高会放电。1～3 kV。
药物分析与药物筛选的
微流控芯片
（1 总论）
中山大学药学院 陈缵光 教授 2014-9-29
主要内容
一. 微流控芯片：分析芯片与功能芯片 二. 芯片分析仪----仪器研制 三. 分析芯片的应用：药物分析、临床检验 四. 微流控功能芯片 五. 微流控芯片药物筛选系统
微流控芯片
是将采样、预处理、加试剂、反应、 分离、检测等集成在微芯片上进行的一 门新技术。 ——将实验室及设备集成在微芯片上。 是生物医学、药Leabharlann Baidu、食品科学、环境 科学等领域重要的新兴研究工具。 是近几年世界各国研究的热点。
一. 微流控芯片
毛细管电泳原理
pH>2.5的碱性或弱酸性溶液中，毛细管内表面 Si-OH 基电离而带负电荷，固-液介面形成双电层, 溶液表面带 正电 水溶液 H — — — — — — — ︱ – 表面：H2SiO3 -Si-O 玻璃：SiO2 或 Na2SiO3
一. 微流控芯片
毛细管电泳原理
在电场作用下,溶液表面正电荷带动溶液整体移动, 形成电渗流
eo /
ε 为介质的介电常数；ζ 为Zeta电势；η为 介质粘度
一. 微流控芯片
毛细管电泳原理 混合组分随电渗流移动，各组分因淌度及分配行为 等差异，迁移速度不同
－ － － － － － － － － － －－ － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
常规仪器设备 长宽几厘米
微芯片
长宽高几十厘米
微流控芯片的特点
分析速度快
信息量大 试剂消耗量少 污染少 进样量少
特点
操作费用低
仪器体积小
一. 微流控芯片
微流控芯片 Microfluidic Chip 或称，芯片实验室 Lab on a Chip 是将常规的样品制备、反应、分离、检测等基本操 作单元集成或基本集成到一块几平方厘米的芯片上、 并对微通道内微量液体进行精确操作的新技术。 按目的、任务和功能来分，
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
电极研究
（3）安培检测
工作电极：铁氰化钴纳米粒修饰 的多壁碳纳米管/石墨复合电极
测定水样中的 肼 药物中的 异烟肼 检出限：比用碳糊电极 降低两个数量级
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（3）安培检测
三脉冲法 恒电位法 三脉冲法 差示脉冲法
方法和仪器研究
二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
我们研制的几种微流控芯片检测器
（1） 非接触电导检测 （2） 电解质介导电导检测 （3）安培检测 （4） 电化学发光检测
（5） LED诱导荧光检测
（6） 电磁感应检测 （7） 多检测集成
二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（1）非接触电导检测
R C1
microchannels
－ － － － － － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
＋
EOF
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － －－ －
－
电渗（electroosmotic） 液体相对于带电的管壁移动 的现象。电渗的大小可用电渗淌度表示：
-
＋
中性分子
+ + +
-
－
一. 微流控芯片
毛细管电泳原理
A
经过一段 时间 ( 距离 ) 的 迁移 , 各组分 因迁移速度 不同而实现 分离 作为分离分 析方法，在方 法分类上属于 色谱分析法。
+
+
-
B
一. 微流控芯片
分析芯片
－
样品
进样与分离 微流控分析芯片
进样通道
进样电压
+
－
+
分离通道
检测器
分离电压
e →
对电极 电化学池
+ 伏安仪 － 记录仪
安培检测要求测定对象在电极上有电化学响应（氧化还原反 应），非电化学活性物质不干扰测定。选择性强、灵敏度高。
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
电极研究
（3）安培检测
工作电极：铂电极
对氨基水杨酸钠注射粉针剂中
的痕量杂质“间氨基酚”
Xinchun Li , Jianbin Pan , Fan Yang , Jun Feng, Jinyuan Mo, Zuanguang Chen*，Simple amperometric detector for microchip capillary electrophoresis, and its application to the analysis of dopamine and catechol，Microchim Acta, (2011) 174:123–130.
3.检测器
（1）非接触电导检测
芯片材料和结构： ① 玻璃-玻璃芯片 ② PDMS-玻璃芯片 ③ PMMA-PMMA芯片
（A）芯片独立式非接触电导检测
频率 电压 调零
A 基片 B 薄盖片 C 电极板 D 检测器
特点： 1.芯片与电极板之间相互独立，更换和清洗非常方便 2.在较低的频率和较低的激发电压下工作
1.芯片结构与制作
进样通道
分离通道
缓冲液池
液池 孔
微通道 微槽
基片
液池 孔 分 析 芯 片
盖片
二. 芯片分析仪—仪器研制
1.芯片结构与制作
基片(微槽) + 盖片 构建微通道
高分子聚合物
玻璃、石英、硅
微制作技术
光刻（lithography）
浇铸成型（Casting）等
蚀刻(etching) 高温热键合封装
二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（6）电磁感应检测（磁导检测）
Zuan-guang Chen*, Ou-lian Li, Sensors and Actuators B: Chemical，2009, 141，130-133
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二. 芯片分析仪—仪器研制
3.检测器
（6）电磁感应检测（磁导检测）
Electromagnetic Induction Detector for Microfluidic Chip
一. 微流控芯片
微流控功能芯片： 在微流控芯 片中进行成分 萃取、化学合 成、药物筛选 等。
萃取芯片
二. 芯片分析仪—仪器研制
芯片 微通道形状、长短、大小
芯片材料：有机、无机 进样电压
芯片分析仪
高压电源
分离电压 光学类检测器
电压切换
检测器
电化学类检测器
质谱检测器
其它检测器：如，磁导检测器
二. 芯片分析仪—仪器研制
(6) titanium tubing
Hui Yang, Xin-chun Li, Fan Yang, Jun Feng, Miao-yin Lin, Zuan-guang Chen*, Electrochemiluminescence detection system for microchip capillary electrophoresis and its application to pharmaceutical analysis, Microchim Acta, (2011) 175:193–199