基于某液芯波导原理的微流控芯片.docx

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基于某液芯波导原理的微流控芯片

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Vol25.2004年4月高等学校化学学报　　　　　　　CHEMICALJOURNALOFCHIESEUNIERSITIES　　　　　　　NV　No.4　610613　～ 基于液芯波导原理的微流控芯片 长光程光度检测系统杜文斌,方　群,方肇伦（大学化学系,微分析系统研究所,310028）摘要　提出了一种基于液芯波导（Liquidcorewaveguide,LCW）原理的微流控芯片吸收光度检测系统.通过芯片与外界接口技术实现液芯波导管与芯片的耦合,建立了芯片上长光程（毫米至厘米级）吸收光度检测池.采用邻菲　啉2铁（）显色体系验证系统分析性能,以5.5cm外覆TeflonAF液芯波导管作为检测池（检测）配合物的检出限为2+2+FeSO4?

7H2O,加入2.5mL1molLHCl稀释至500mL.以超纯水稀释Fe储备液,配制Fe标准D2C紫外2可见分光光度计（瑞利分析仪器公司）.微流控芯片的检测技术是微全分析系统[1]（MTAS）中的一个重要研究领域.UV2is检测[2,3]以其V广泛的适用性在仪器分析领域占有重要地位,也是最早应用于微全分析系统的检测方法之一.但在微米级尺度的芯片微通道实现吸收光度检测,检测池的吸收光程和光通量均受到很大限制.近年来,芯片上长光程光度检测系统的研究[4～10]按其技术路线的不同,可分为3类:

（1）采用微加工技术,加大微通道的深度或宽度[4],或在芯片上制作U形[5]结构的流通检测池,增加吸收光程,报道的最高检测光程为120∧;

（2）制作三层夹心结构芯片,流通池检测光程（720∧）等于夹层芯片的厚度[6];mm（3）采用镜面反射及平面波导技术提高吸收光程[7～10],在芯片通道加工或集成多重平面反射结构作为吸收池,报道的检测光程由272∧到毫米级.上述方法对吸收池光程的提高均较为有限.在常规光m度检测中,采用液芯波导原理以提高检测光程是一种提高灵敏度的有效方法[11,12].本文利用微流控芯到厘米级,检测灵敏度达到和超过常规分光光度计水平.同时系统还具有结构简单,容易加工,对光学系统要求低等特点,可应用于芯片上连续流动和流动注射分析系统中.片与毛细管耦合技术,将液芯波导毛细管集成到微流控芯片的通道出口作为吸收池,建立了一种新的芯片上长光程的光度检测系统[13].采用邻菲　啉2铁（）显色体系验证系统性能,检测池有效光程达1　实验部分1.1　试剂和仪器系列溶液.测定前将Fe2+标准系列溶液及空白溶液与显色剂溶液预先混合（体积比为3∶2）.WZS250F双通道微量注射泵（大学医学仪器厂）;光电倍增管（滨松光电子技术有限公司）,微光测量仪（瑞迈科技）;数据采集卡（PCL2818L,122bitAD,研华科技）;WFZ8002收稿日期:

2003205206.基金项目:

国家自然科学基金重大项目（批准号:

20299030）及教育部科学技术研究重点项目（批准号:

01093）资助.联系人简介:

方　群（1966年出生）,男,博士,教授,从事微流控分析芯片研究.E2ail:

fangqunmailhz.zj..m]微芯片的加工:

采用湿法刻蚀和高温键合技术加工[15“T”形通道玻璃微芯片,通道宽100∧,深m（o2Phenanthroline）20.2%盐酸羟胺2乙酸钠混合液[14].Fe2+储备液（2mmolL）配制:

准确称取0.278g?

1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.池体积240nL）时,芯片系统的检测线性围为0.0350∧olL,对邻菲　啉2铁（～m8nmolL,检测池有效光程达1.7cm,分析精度RSD（n=5）为0.8%.关键词　微流控芯片;液芯波导;吸收光度检测中图分类号　O657　　　　文献标识码　A　　　　文章编号　025120790（2004）0420610204所用试剂均为分析纯,并以超纯水配制.显色剂2缓冲剂溶液为0105%邻菲　啉

No.4杜文斌等:

 基于液芯波导原理的微流控芯片长光程光度检测系统　　　61130∧,其构造见图1.以钻头在通道A,B两端钻m1.2　操　　作直径1.1mm孔作为试样和试剂的进口,与注射泵导管相连;C端为开口微通道将平行于A,B通.道的玻璃侧表面抛光,以便光源直接照射.微检测池的加工:

取一定长度的液芯波导管[石英毛细管外覆TeflonAF（.dupont.teflonaf）,o.d.375∧,.d.50∧],在波导管入mim射端面及入射端外壁涂覆厚约510∧的黑色油～m漆涂层（图1）以进行表面避光处理,涂覆时毛细管另一端通入空气以保证其通道不被堵塞.采用文献Fig.1　Schematicdiagramofthemicrochipsystemwitha方法[16]在芯片T”“形通道C端出口处加工连通微通道的同轴孔道（3mm×380∧）.将液芯波导管涂m漆端小心插入孔道,避免油漆层的破损,用环氧树脂胶将芯片与波导管固定.检测系统光源采用高亮度准单色发光二极管（最大波长505nm,半峰宽37nm,工作电压3V）,scale）AandB.Inlet;C.outletchannelcoupledwithLCWcell;thecapillaryinlet;F.epoxy;G.LCWcapillary;H.maskingmaterial;.Iwastereservoir;J.connectedtoPMT;K.blackboxinsulatingsystemfromliquidcorewaveguidecapillaryforlongopticalpath-lengthabsorbancemeasurements（nottoD.channelsinchip;E.blackpaintcoveredonsurfaceofopticalfiber放置于距液芯波导管入口2.5mm处.波导管周围ambientlight;LED.light2emittingdiode,505nm.覆盖避光保护层.采用500∧直径的单芯石英光m纤与波导管出口同轴对准,直接收集光信号.光纤另一端进入光电倍增管,对准光电倍增管的光窗检测以上芯片检测系统放置于暗盒..考察芯片性能时,由芯片的A,B两个通道交替注射邻菲　啉2铁（速260nLs,时间间隔1min.）配合物溶液和空白溶液,流2　结果与讨论2.1　光路系统的设计简化光学系统见图1.分析系统的光源采用固定于芯片上的绿色发光二极管,其发射光线透过玻璃壁,直接入射波导管入口,利用避光涂层和保护层,挡住从石英管壁和外侧入射的光.系统无须采用聚光镜或狭缝等光学器件.在液芯波导管出口用单芯石英光纤与其同轴对准,直接收集光信号.由光纤将光导入光电倍增管检测.检测端口同时也是检测溶液出口,将此部分置于废液池中,从波导管流出的样品进入废液池.保持液体连续流动使试样不在管口留存,可保持出口检测处的信号稳定.用发光二极管直接近距离照射可使得系统有较高的光通量,有利于降低测定检出限.如系统在使用空白溶液时,透过光可在微光测量仪上产生约2V的输出信号（光电倍增管负高压-350V）,基线噪声信号±1mV.本实验所用光源发光二极管的半峰宽为37nm,结果显示,由非单色光所造成的对朗伯2比尔定律的偏离现象在吸光度大于1时方有所显现,因此对系统分析性能影响很小.2.2　液芯波导吸收池[16]TeflonAF液芯波导管是一种理想的适用于水溶液体系的全反射吸收池.其工作原理如图2所示,TeflonAF的折射率为1.29,低于水的折射率1.33,当入射光与波导管的轴向所成角度≤14.6°时,入射光在石英管壁和TeflonAF膜之间发生全反射,当溶液中没有吸光物质时,光能以极低的损耗在管传播.实际测定时,入射光通过管溶液Fig.2　Principleforliquidcorewaveguidefused-silicacapillarywithTeflonAF-coating即被待测组分所吸收,从而产生吸光度变化.?

1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.

　　　612高等学校化学学报.Vol25理想的吸收池设计,光源光应全部由波导管液流通道入口导入吸收池,避免入射光由管壁导入,否则将增大不经过试样溶液的光通量,降低检测的灵敏度.为此,在波导管入射端截面涂覆黑色油漆进行管壁的避光处理,获得良好效果液芯波导管检测端CCD显微拍照实图（图3）对比了进行和未进.行避光处理的液芯波导管的不同导光效果.图3（A1）和（A2）为波导管入射端面没有避光涂层的光分布图,图3（B1）和（B2）为进行了避光处理的光分布图.图3（A1）和（B1）管注射0.2mmolL邻菲　啉2铁（）配合物溶液（采用1cm光程比色池的分光光度计测定,吸光度为2.2）,图3（A2）和（B2）管注射空白溶液可见,未进行避光处理时,由溶液光吸收产生的变化对总光量的影响不大,因为大部分.光均在石英壁中传播.进行避光处理后,背景光得到有效扣除.上述处理方法具有油漆涂层的稳定性好、强度高、方法简单易行、无需使用狭缝及光学对准等器件且有利于实现波导管与芯片的耦合等优点通常,在一定围,吸收光程与波导管的长度成正比.采用直线型液芯波导管,对10∧olL邻.m菲　啉2铁（）配合物进行检测,2.0cm波导管测得的吸光度为0.,5.5cm波导管测得的吸光度为01187.入射光在波导管传播时,损失很小,允许的波导管长度可以长至20cm以上,但是波导管过长会使试样体积的增大和检测时间的延长,同时如将波导管弯曲会产生入射光的折射损失.Fig.3　CCDiageofTeflonAF-coatedfused-silicamcapillaryoutletFig.4　Recordingsofabsorbancemeasurementsbydelivering（alternatelyo-phenanthrolie-Fen（A1）and（A2）:

Withoutcoatingonthesurfaceofthecapillary）plexsolutionandrinsesolutioninto012;2.014;3.016;inlet;（B1）and（B2）:

withblackpaintcoatingonthesurfaceofthetheflow-cellcapillaryinletend.2.3　系统分析性能参照文献[14]报道的实验条件,采用邻菲　啉2铁（）反应体系考察系统的分析性能.实验中,注射泵流速为260nLs在此流速附近得到的检测信号是一系列平台峰,信号基线（注射空白溶液时）漂.移很小,说明管中液流稳定,两通道之间液流无相互干扰.泵速过慢,影响分析速度;泵速过快,通道阻力过大,易在通道接口处发生渗漏实验结果显示,以5.5cm外覆TeflonAF液芯波导管作为检.测池时,检测池体积为240nL.系统对邻菲　啉2铁（）配合物检测的检测线性围为0.03～50∧olL,线性回归方程为A=0.0188c+0.0023,R2=0.9994,其中A为吸光度,c为Fe2+的浓度m（∧olL）.图4为012,0.4,0.6,0.8和1.0∧olLFe2+标准溶液进样的实际结果记录图以0.8.mmFig.5　Comparisonofmeasurementresultsbythenewsystemandspectrophotometerwith1cmcellFig.6　Recordingsofabsorbancemeasurementsfor60nmolLFe2+solution?

1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.c（Fe2+）（∧l?

L-1）:

1.mo4.018;5.1.0

No.4杜文斌等:

 基于液芯波导原理的微流控芯片长光程光度检测系统　　　613achievedonthechipbyusinganintegratedliquidcorewaveguide（LCW）silicacapillarycoatedwithTeflonAF.Theperformanceofthesystemwastestedbyusingo2phenanthroline2Fe（）plexasamodelsamplewithspectrophotometricdetection,achievingadetectionliitof8nmolLfortheplex.Them0.03—50∧olLislinear（R2=0.9994）andshowedgoodabsorbanceofsamplesrangingfrommrepeatabilitywithaRSDof0.8%（n=5）.Thesensitivityofthechip2CWsystemwasafactorof1.7L.higherthanconventionalspectrophotometryusinga1cmcellThepresentsystemcanbeappliedin.continousfloworflowinjectionanalysissystemsKeywords　icrofluidicchip;Liquidcorewaveguide;AbsorbancedetectionM?

1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.Abstract　Inthiswork,asystemforhighsensitivityabsorbancemeasurementsonmicrofluidicchipswasdevelopedwithadetectionvolumeof240nL.Longopticalpath2length（1.7cmeffectivepathlength）was（Ed.:

A,G）∧olLFe2+标准溶液连续重复进样,响应信号的重现性为0.8%（RSD,n=5）.图5对比了本芯片分m析系统与常规分光光度计（1cm比色池）对相同浓度标液（210∧olLFe2+浓度围）的测定结果.～m由图5可见,检测池有效光程可达1.7cm,即1cm液芯波导管吸收池的有效吸收光程为0.31cm.与利用芯片通道（深30∧）直接进行光度检测的方法相比,有效光程提高了560倍因此,本方法可使.m2+（3Ρ）为8nmolL,图6为分芯片上光度检测的灵敏度提高23个数量级.分析系统对Fe的检出限～析系统对60nmolLFe2+测定结果记录图.参　考　文　献[1]　anzA.,GraberN.,WidmerH.M..SensActuatorsB[J],1990,B1:

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