楊明鵬 黃哲 謝洋 尤暉

摘 要 微芯片電泳具有檢測(cè)迅速、易于便攜化、消耗試劑少等優(yōu)點(diǎn)，成為離子檢測(cè)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(chǔ)上，從微芯片電泳的結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝、表面改性、實(shí)驗(yàn)方法及其在離子檢測(cè)中的應(yīng)用等多個(gè)方面進(jìn)行了綜述，并對(duì)存在的問(wèn)題以及未來(lái)的研究方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞 微芯片電泳；離子檢測(cè)；表面改性；預(yù)濃縮；評(píng)述

1 引 言

離子檢測(cè)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、土壤養(yǎng)分管理、醫(yī)療檢測(cè)等方面具有重要的作用和意義。測(cè)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(duì)治理富營(yíng)養(yǎng)化與重金屬污染具有重要意義[1～3]。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(biāo)之一[4～6]。如何快速、簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)離子檢測(cè)一直是相關(guān)的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的離子分析方法一般在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，存在檢測(cè)成本高、周期長(zhǎng)、功能單一等缺點(diǎn)，在很大程度上阻礙了離子檢測(cè)技術(shù)的普遍應(yīng)用。多種新的離子檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生[7～9]，其中微芯片電泳（Microchip electrophoresis， ME）技術(shù)以檢測(cè)迅速、易于便攜化、可同時(shí)檢測(cè)多種離子、消耗試劑少等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。

20世紀(jì)90年代，Manz等[10]首先提出了微全分析系統(tǒng)的概念，將實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的生物、化學(xué)等方面的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)壓縮到一張芯片上進(jìn)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[11]提出了非接觸電導(dǎo)檢測(cè)法，該方法避免了檢測(cè)電極的腐蝕并降低了分離高壓對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，進(jìn)而延長(zhǎng)了檢測(cè)電極的使用壽命，提高了檢測(cè)精度，它的提出是微芯片電泳技術(shù)的另一個(gè)里程碑。

如圖1A所示，一個(gè)微芯片電泳系統(tǒng)主要由微芯片、分離高壓、信號(hào)發(fā)生與采集模塊以及信號(hào)后處理模塊構(gòu)成。圖1A和1B是傳統(tǒng)微芯片電泳的進(jìn)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(chǎng)下溶液特性的改變，如pH值、導(dǎo)電性等； 然后從3端口通過(guò)電動(dòng)進(jìn)樣或壓力進(jìn)樣的方法注入待測(cè)樣品液； 開(kāi)啟c信號(hào)發(fā)生與采集模塊，對(duì)檢測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)； 1、2端口施加直流高壓，溶液中的離子由于電滲流（Electroosmotic flow， EOF）及電泳的作用[12，13]，會(huì)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(yùn)動(dòng)示意圖。按照雙電層理論，固液兩相接觸時(shí)，會(huì)在靠近固體的水溶液中形成雙電層，即緊密層與擴(kuò)散層，所謂電滲流是指在電場(chǎng)作用下擴(kuò)散層中離子定向移動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)流體進(jìn)行塊狀運(yùn)動(dòng)； 而電泳是指帶電粒子在電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)，離子的運(yùn)動(dòng)是電滲流與電泳作用下的合運(yùn)動(dòng)。不同離子的運(yùn)動(dòng)速度是不同的，可以根據(jù)離子到達(dá)檢測(cè)電極處的時(shí)間判斷離子的種類。對(duì)于電導(dǎo)檢測(cè)法而言，檢測(cè)區(qū)設(shè)置了檢測(cè)電極，當(dāng)溶液中離子流經(jīng)電極處時(shí)，檢測(cè)到的電導(dǎo)值會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而根據(jù)電導(dǎo)值的變化量得出離子的濃度[14，15]。

本文在介紹原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來(lái)微芯片電泳的研究進(jìn)展，從結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝、表面改性、實(shí)驗(yàn)方法及其在離子檢測(cè)中的應(yīng)用等多個(gè)方面對(duì)微芯片電泳進(jìn)行了綜述，討論了目前存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展方向，以期為后續(xù)的研究提供參考與借鑒。

2 結(jié) 構(gòu)

Manz等[10]于1990年提出的微全分析系統(tǒng)由進(jìn)樣、樣品傳輸、樣品預(yù)處理以及檢測(cè)等多個(gè)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[16]，在玻璃基底上刻蝕出兩個(gè)相交的通道，分別采用電動(dòng)進(jìn)樣與電泳分離的方法實(shí)現(xiàn)了待測(cè)樣品的注入與分離。2001年，Guijt等[11]提出了基于非接觸電導(dǎo)檢測(cè)的微芯片結(jié)構(gòu)，在檢測(cè)電極上覆蓋了SiC薄層，避免了檢測(cè)電極的腐蝕并降低了分離過(guò)程中高壓對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。自此，微芯片電泳-電容耦合非接觸電導(dǎo)檢測(cè)（Capacitatively coupled contactless conductivity detection， C4D）的結(jié)構(gòu)以此為原型衍生發(fā)展開(kāi)來(lái)。根據(jù)通道層與檢測(cè)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（Integrated electrodes microchip， IEM）與外部電極式（External electrodes microchip， EEM）。

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[17]。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(dú)立的，可以根據(jù)需要改變檢測(cè)電極的位置[18]。一體式芯片的加工難度大于外部電極式，對(duì)電極層與通道層的材料有特定的粘合要求，但檢測(cè)精度高； 外部電極式芯片的通道層與電極層是獨(dú)立的，使用靈活，然而組裝過(guò)程中電極與通道存在對(duì)準(zhǔn)誤差，檢測(cè)精度以及重復(fù)性相對(duì)較差。

其他研究者根據(jù)各自的需要設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)的微芯片，或改進(jìn)進(jìn)樣方式，或?qū)崿F(xiàn)陰陽(yáng)離子的同時(shí)檢測(cè)，或提高檢測(cè)精度，或簡(jiǎn)化制作工藝等，但基本都在上述范疇之內(nèi)。Vazquez等[19]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(shí)也起到絕緣層的作用，避免溶液與檢測(cè)電極的接觸。Puchberger-Enengl等[20]在玻璃片上構(gòu)建了Pt電極并覆蓋了絕緣層，進(jìn)而與微通道層粘接在一起構(gòu)成完整的IEM芯片（圖3A）。Gaudry等[21]提出了一種雙通道順序進(jìn)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(dòng)力“劈開(kāi)-進(jìn)樣”的方法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)樣。該結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了陰陽(yáng)離子的同時(shí)檢測(cè)，而且采用了水動(dòng)力進(jìn)樣使得樣本離子的分布更加均勻。Mahabadi等[22]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(cè)精度； 之后Ansari等[23]基于該微芯片研發(fā)了一種便攜式Lab-on-chip設(shè)備，并有效地檢測(cè)了果汁中的有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸以及兔子血樣本、人血清樣本中的離子 （圖3C）。其他學(xué)者也分別提出了多種滿足各自功用的芯片結(jié)構(gòu)[24，25]。當(dāng)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(shì)，隨著更多加工技術(shù)的引入，微芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢(shì)必更加靈活、多樣。

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(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料。早期的微芯片制造工藝源自于MEMS技術(shù)[26]，硅、石英和玻璃是常用的制作材料，采用光刻、腐蝕等工藝來(lái)制作微通道[27]，這類方法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、工藝復(fù)雜。有機(jī)材料的出現(xiàn)為微芯片的制作開(kāi)啟了一個(gè)新的方向。與無(wú)機(jī)材料相比，有機(jī)材料易加工、成本低、加工工藝簡(jiǎn)單。有機(jī)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(yù)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(yáng)模上，給予一定的溫度和時(shí)間來(lái)完成PDMS的固化，以此實(shí)現(xiàn)通道由陽(yáng)模到PDMS的復(fù)制[28]。熱塑性材料以聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）為代表，通常采用熱壓工藝制作微通道[29]，將PMMA材料在一定溫度下壓在預(yù)先制作好的陽(yáng)模上，進(jìn)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(yáng)模的制作工藝復(fù)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[30]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(jiǎn)化了制作工藝，降低了成本，并且檢測(cè)限（Limit of detection， LOD）很低。Junior等[31]采用激光打印技術(shù)制作微通道的陽(yáng)模（圖4B），避免了原先復(fù)雜的陽(yáng)模制造工藝，在一定程度上簡(jiǎn)化了制造工藝。Junior等[32]采用聚醋酸乙烯酯作為光刻膠制備了微通道的陽(yáng)模，該方法不需要在潔凈室條件下進(jìn)行，并且可直接用水替代有機(jī)溶劑對(duì)紫外光照射后的模板進(jìn)行成型。Santana等[33]采用乙烯基薄膜制作出掩模板，進(jìn)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(shí)，如何快速、便捷地加工出檢測(cè)電極上的絕緣層也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。除了常用的SiC、SiO2等材料的絕緣層，很多學(xué)者也嘗試了一些新的絕緣層加工工藝。Liu等[34]采用旋涂稀釋的PDMS的方法在電極上生成了一層0.6 μm厚的絕緣層，將Na+的檢出限降低到了0.07 μmol/L； Liu等[35]采用50 μm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(gè)重要的研究領(lǐng)域，通常采用Lift-off法[36]，該方法對(duì)設(shè)備與環(huán)境要求高、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。因而很多學(xué)者尋求一些新的方法來(lái)制作微芯片的電極，以簡(jiǎn)化加工工藝，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(xiàn)[38，39]分別在氧化銦錫覆蓋的導(dǎo)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(dǎo)電層的基底上采用刻蝕工藝去除電極以外的導(dǎo)電材料。另一種電極制作方法比較特別，采用注射的方法[40，41]制作電極（圖4E），在微通道層上同時(shí)加工了電極通道，將低熔點(diǎn)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(diǎn)溫度）注入到電極通道中。類似地， Junior等[42]選用離子溶液作為導(dǎo)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[43，44]，該方法不需要昂貴的設(shè)備、耗時(shí)短、成本低。

降低成本、簡(jiǎn)化制作工藝、減少耗時(shí)是當(dāng)前微芯片的發(fā)展趨勢(shì)。然而要實(shí)現(xiàn)微芯片電泳技術(shù)的普通應(yīng)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(yīng)用。PDMS是一種疏水材料，水接觸角在100°～110°之間[45～48]。PDMS固有的疏水性使得在微通道中注入液體變得困難，同時(shí)還出現(xiàn)會(huì)氣泡堵塞于微通道中無(wú)法排除的情況 [45]。 此外， 其較弱的EOF遷移率增加了離子分離的時(shí)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(guò)程中微通道會(huì)坍塌變形，這對(duì)于芯片的制作是不利的[49]。研究者們提出了一系列方法以改善有機(jī)材料的表面特性，即表面改性。等離子體處理（Plasma treatment）與表面涂覆（Surface coating）是常用的表面改性方法。

等離子體處理是指在高壓電場(chǎng)下生成的離子、電子、自由基以及各種活性基團(tuán)（統(tǒng)稱為等離子體）在物質(zhì)表面生成自由基、官能團(tuán)以及引發(fā)接枝聚合，進(jìn)而改變物體的表面特性。該方法可以極好地提高有機(jī)材料表面的親水性，但改性效果持續(xù)時(shí)間很短，在數(shù)小時(shí)后就會(huì)回復(fù)到起始狀態(tài)[45]。因此很多研究者在等離子體處理的基礎(chǔ)上輔以其它方法來(lái)彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。Long等[45]采用聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）涂覆與氧等離子體（O2 plasma）處理相結(jié)合的方法對(duì)PDMS表面進(jìn)行改性（圖5A），將PDMS的親水狀態(tài)維持102 h。Bashir等[47]采用等離子體聚合丙烯酸（Plasma polymerized acrylic acid， 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[48]采用溶膠-凝膠工藝實(shí)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°，并將EOF遷移率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。去甲腎上腺素是一種神經(jīng)遞質(zhì)，也可以對(duì)PDMS表面進(jìn)行改性，Chen等[50]利用去甲腎上腺素將PDMS的水接觸角降低至13°。表面涂覆也可以改善PDMS的親水性，活性聚乙烯基硅氮烷（Polyvinylsilazane，PVSZ）[46]（圖5B）、聚丙烯酸（Poly（acrylic acid），PAAc）[49]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(xué)者對(duì)PMMA的改性也做了很多工作。Yu等[51]采用氧等離子體處理以及聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）涂覆的方式實(shí)現(xiàn)PMMA芯片的低溫鍵合。類似于PDMS，表面涂覆也可以對(duì)PMMA產(chǎn)生很好的改性效果，甲基纖維素（Methylcellulose，MC）[52]、聚乙烯吡咯烷酮（Poly（vinylpyrrolidone），PVP）[57]以及羥丙基甲基纖維素（（Hydroxypropyl）methyl cellulose， HPMC）[52，53]（圖5E）也是很好的表面涂覆材料。

表面改性消除了PDMS管道進(jìn)樣困難、氣泡堵塞問(wèn)題，提高了EOF遷移率，進(jìn)而提高了電泳分離速度，同時(shí)也降低了PMMA的鍵合溫度，減少了PMMA制作過(guò)程中的管道變形。然而現(xiàn)有的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，很多方法的實(shí)用性并不強(qiáng)，改性特性不穩(wěn)定、涂覆材料粘附性不足、工藝繁瑣等缺點(diǎn)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

5 實(shí)驗(yàn)方法

目前，微芯片電泳實(shí)驗(yàn)方法比較熱門的兩個(gè)研究方向是進(jìn)樣（Sample injection）和預(yù)濃縮（Preconcentration）。

樣品的進(jìn)樣方式在很大程度上決定了檢測(cè)結(jié)果的有效性，如何將樣品精準(zhǔn)地輸入到指定位置是近來(lái)年微芯片電泳領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[54～56]。Tsai等[57]通過(guò)仿真系統(tǒng)地研究了多種進(jìn)樣方法及其優(yōu)化問(wèn)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(duì)于十字交叉結(jié)構(gòu)與Double-T結(jié)構(gòu)，一般采用電動(dòng)進(jìn)樣法，它的原理是利用電場(chǎng)作用下芯片中的EOF來(lái)推動(dòng)液體的整體移動(dòng)，該方法雖然操作方便，但由于電泳力的存在會(huì)使得離子分離，存在檢測(cè)偏差。Double-T結(jié)構(gòu)相對(duì)于十字交叉結(jié)構(gòu)，增加了進(jìn)樣通道與分離通道交叉位置處的樣品量進(jìn)而提高了檢測(cè)精度。對(duì)于這兩種結(jié)構(gòu)常用的電動(dòng)進(jìn)樣方法有有十字進(jìn)樣法、回流進(jìn)樣法、Double-L進(jìn)樣法等。對(duì)于T型結(jié)構(gòu)，一般采用壓力進(jìn)樣，壓力進(jìn)樣是指通過(guò)外界輔助裝置施加一定的壓力將待測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)條件以及裝置的要求很高。也有少數(shù)文獻(xiàn)[72]在T型結(jié)構(gòu)中采用電動(dòng)進(jìn)樣，該方法對(duì)進(jìn)樣時(shí)間以及進(jìn)樣電壓的控制要求較高，一般采用全自動(dòng)進(jìn)樣。

近年來(lái)，一些學(xué)者在進(jìn)樣方面提出了一些新的方法。Gabriel等[58]采用0.6 μL的電子微量吸液管作為微芯片的水力（Hydrodynamic， HD）進(jìn)樣器，提高了微芯片的檢測(cè)分辨率和每次進(jìn)樣的重復(fù)性。Ha等[59]采用微注射器與針刺的方法實(shí)現(xiàn)了納升級(jí)的連續(xù)進(jìn)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(jìn)行進(jìn)樣。Ha等[60]采用預(yù)先設(shè)定好體積的微芯片腔作為一個(gè)“進(jìn)樣圈（Injection loop）”，通過(guò)控制進(jìn)樣圈周邊的4個(gè)微閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了定量進(jìn)樣，該方法既能有效消除電動(dòng)進(jìn)樣產(chǎn)生的離子偏差，又能很好地控制進(jìn)樣的精度。

目前，微芯片電泳的檢出限約為106 mol/L，然而很多情況下要求更低檢出限。如何將待測(cè)樣品的濃度值預(yù)濃縮是微芯片電泳領(lǐng)域一個(gè)重要的方向[61，62]。Cong等[63]采用氣動(dòng)閥對(duì)樣品進(jìn)行了濃縮（圖7A），當(dāng)氣動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)，高電壓可以擊穿氣動(dòng)閥使得電流通過(guò)但液體卻無(wú)法通過(guò)，進(jìn)而將待測(cè)樣品中的離子在氣動(dòng)閥上游不斷濃縮，該方法可在230 s內(nèi)將樣品濃縮約450倍。Chiu等[64]設(shè)計(jì)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(yīng)（Ion concentration polarization，ICP）[65]對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行了預(yù)濃縮，可以將樣品濃縮約500倍。如圖7B所示，Kitagawa等[66，67]采用電滲流泵的大體積樣品堆疊（Large-volume sample stacking with an electroosmotic flow pump， LVSEP）以及場(chǎng)放大進(jìn)樣（Field-amplified sample injection， FASI）技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行了在線濃縮，大大降低了芯片的檢出限。

進(jìn)樣與預(yù)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(cè)的準(zhǔn)確性與應(yīng)用范圍，然而目前很多研究都處于實(shí)驗(yàn)室階段，離應(yīng)用還有較大的距離。

6 微芯片電泳在離子檢測(cè)中的應(yīng)用

微芯片電泳相對(duì)于其它檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)迅速、消耗試劑少、易于集成化等優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，C4D檢測(cè)的微芯片電泳在離子檢測(cè)方面的應(yīng)用逐漸成為熱門研究領(lǐng)域。在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域，檢測(cè)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（Biopolar disorder）非常有效的藥品，對(duì)于口服過(guò)鋰制劑的患者，血液中鋰的含量應(yīng)嚴(yán)格控制在一定的范圍內(nèi)。Floris和Staal等[6，70]先后制作并改進(jìn)了一種即時(shí)檢測(cè)（Point of care， POC）的微芯片，并用于檢測(cè)血液中的Li+含量，進(jìn)而輔助治療躁郁癥。重金屬離子（如Pb2+、Hg2+、Cd2+）以及過(guò)量的金屬離子都會(huì)給人體帶來(lái)非常嚴(yán)重的健康問(wèn)題。微芯片電泳同樣吸引了眾多研究者在環(huán)境檢測(cè)以及污水處理領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用研究。Liu等[69]開(kāi)發(fā)了一種基于C4D的微芯片對(duì)Mn2+、Cd2+、Co2+、Cu2+的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了檢測(cè)。Yan等[39]采用PDMS/PET材料制作了微芯片，對(duì)湘江水中的Zn2+、Cd2+、Cu2+等離子進(jìn)行了檢測(cè)。Freitas等[71]采用微芯片電泳技術(shù)分別對(duì)魚缸水、生物肥料以及河水中的Cl、NO3、SO24、NO2等離子進(jìn)行了檢測(cè)。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)方面提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念，精準(zhǔn)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(duì)土壤中養(yǎng)分離子的精準(zhǔn)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(cè)。Smolka等[72]基于C4D微芯片電泳研發(fā)了一種便攜式儀器對(duì)土壤中的養(yǎng)分離子進(jìn)行了檢測(cè)。Xu等[73]研制了一種土壤水提取器，并結(jié)合微芯片電泳對(duì)土壤中的養(yǎng)分離子進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

近年來(lái)微芯片電泳在離子檢測(cè)中的應(yīng)用匯總于表1。

7 問(wèn)題與展望

微芯片電泳發(fā)展至今已經(jīng)走過(guò)了近三十年的歷程，逐漸完善改進(jìn)。然而其高昂的制作成本、費(fèi)時(shí)的制造工藝將這一類產(chǎn)品的應(yīng)用范圍限定在實(shí)驗(yàn)室以及特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。商業(yè)化的產(chǎn)品與實(shí)驗(yàn)室的原理芯片存在較大的距離，在許多應(yīng)用細(xì)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(cè)的穩(wěn)定可靠、如何去克服一些盲區(qū)操作（例如進(jìn)樣過(guò)程中引入了氣泡）、如何讓未經(jīng)訓(xùn)練的普通工作人員操作專業(yè)化設(shè)備。這些問(wèn)題還需要研究人員與工程技術(shù)人員去解決。

微納尺度下流體的精確控制一直是微流控領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，在電泳微芯片中待測(cè)樣品的精確進(jìn)樣是核心問(wèn)題。電動(dòng)進(jìn)樣雖然方便快捷，但電泳力的存在使得檢測(cè)值偏離實(shí)際值； 壓力進(jìn)樣則對(duì)設(shè)備與環(huán)境的要求較高。要實(shí)現(xiàn)微芯片電泳的普遍應(yīng)用，亟需一種簡(jiǎn)易、精準(zhǔn)的進(jìn)樣技術(shù)。

微芯片電泳技術(shù)要真正地走向?qū)嵱没?，不僅要克服上述問(wèn)題，還應(yīng)在以下兩個(gè)方面繼續(xù)做更多的研究工作。一方面是對(duì)樣品的有效提取與處理，即前處理，應(yīng)包括所測(cè)樣品中待測(cè)離子的可靠提取及低濃度樣品的預(yù)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(wàn)別。另一方面是對(duì)檢測(cè)信號(hào)的可靠識(shí)別，即根據(jù)所測(cè)信號(hào)快速、精準(zhǔn)地得出待測(cè)樣品中各離子的種類與濃度，這需要大量的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)作為依據(jù)，這方面的工作在文獻(xiàn)中也鮮有報(bào)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(jī)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(jìn)入微芯片制作領(lǐng)域，如3D打印技術(shù)、紙芯片、超聲加工[74～76]等。隨著這些技術(shù)的引入，微芯片的制作勢(shì)必進(jìn)一步簡(jiǎn)化，會(huì)在很大程度上推動(dòng)微芯片電泳的發(fā)展。目前，微芯片電泳主要應(yīng)用于生物、醫(yī)療、環(huán)境、土壤學(xué)等領(lǐng)域，雖然這些應(yīng)用僅處于起步階段，在應(yīng)用中有很多技術(shù)問(wèn)題亟待解決，但是微芯片電泳的應(yīng)用前景不應(yīng)只限于這些領(lǐng)域，在未來(lái)將會(huì)作為一種傳感元器件甚至是功能元器件應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

References

1 Tekile A， Kim I， Kim J. J. Environ. Sci.， 2015， 30： 113-121

2 Zhang Y， Ma R， Hu M， Luo J， Li J， Liang Q. Sci. Total Environ.， 2017， 584-585： 651-664

3 Gao X， Chen C T A. Water Res.， 2012， 46（6）： 1901-1911

4 Koliaki C， Katsilambros N. Nutr. Rev.， 2013， 71（6）： 402-411

5 Aaron K J， Sanders P W. Mayo. Clin. Proc.， 2013， 88（9）： 987-995

6 Floris A， Staal S， Lenk S， Staijen E， Kohlheyer D， Eijkel J， Berg A. Lab Chip， 2010， 10（14）： 1799-1806

7 Matsumoto A， Tamura A， Koda R， Fukami K， Ogata Y H， Nishi N， Thornton B ， Sakka T. Anal. Chem.， 2015， 87（3）： 1655-1661

8 Peng Y， Guo W， Zhang J， Guo Q， Jin L， Hu S. Microchem. J.， 2016， 124： 127-131

9 Marcos D R， Parson J， Garcia H， Corral A A Y， Cruz J G， Alfredo C T， Duarte M A， Gardea-Torresday J. Phys. Rev. Res. Int.， 2011， 1（2）： 29-44

10 Manz A， Graber N， Widmer H A. Sens. Actuators B， 1990， 1（1-6）： 244-228

11 Guijt R M， Baltussen E， Steen G， R. Schasfoort B M ， Schlautmann S， Billiet H A H， Frank J， Dedem G W K， Berg A. Electrophoresis， 2001， 22（2）： 235-241

12 Kirby B J. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics， New York： Cambridge Univ. Press， 2010： 131-151

13 Charhrouchni I， Pallandre A， Potier I L， Deslouis C， Gosnet A M H. Electrophoresis， 2013， 34（5）： 725-735

14 Brito-Neto J G A， Silva J A F， Blanes L， Lago C L. Electroanalysis， 2005， 17（13）： 1198-1206

15 Smejkal P， Bottenus D， Breadmore M C， Guijt R M， Ivory C F， Foret F， Macka M. Electrophoresis， 2013， 34（11）： 1493-1509

16 Harrison D J， Manz A， Fan Z，Ludi H， Widmers H M. Anal. Chem.， 1992， 64（17）： 1926-1932

17 Zhu X， Liu G， Xiong Y， Guo Y， Tian Y. Journal of Physics： Conference Series， 2006， 34： 875-879

18 Koczka P I， Bodoki E， Gaspar A. Electrophoresis， 2016， 37（3）： 398-405

19 Vazquez M， Frankenfeld C， Coltro W K T， Carrilho E， Diamonda D， Lunte S M. Analyst， 2010， 135（1）： 96-103

20 Puchberger-Enengl D， Bipoun M， Smolka M ， Krutzler C， Keplinger F， Vellekoop M J. Proc. SPIE， 2013， 8763： 1-6

21 Gaudry A J， Nai Y H， Guijt R M， Breadmore M C. Anal. Chem.， 2014， 86（7）： 3380-3388

22 Mahabadi K A， Rodriguez I， Lim C Y， Maurya D K， Hauser P C， Rooij N F. Electrophoresis， 2010， 31（6）： 1063-1070

23 Ansari K A， Ying J Y S， Hauser P C， Rooij N F， Rodriguez I. Electrophoresis， 2013， 34（9-10）： 1390-1399

24 Coltro W K T， Neves R S， Motheo A J，Silva J A F， Carrilho E. Sens. Actuators B， 2014， 192（3）： 239-246

25 Ali I， Alharbi O M L， Sanagi M M. Environ. Chem. Lett.， 2016， 14（1）： 79-98

26 Kovacs G T A， Petersen K， Albin M. Anal. Chem.， 1996， 68（13）： 407A-412A

27 Chung S E， Lee S A， Kim J， Kwon S. Lab Chip， 2009， 9（19）： 2845-2850

28 Liu C C， Cui D F. Microsyst. Technol.， 2005， 11（12）： 1262-1266

29 Horng R H， Han P， Chen H Y， Lin K W， Tsai T M， Zen J M. J. Micromech. Microeng.， 2005， 15（1）： 6-10

30 Chagas C L S， Duarte L C， Junior E O L， Piccin E， Dossi N， Coltro W K T. Electrophoresis， 2015， 36（16）： 1837-1844

31 Junior E O L， Duarte L C， Braga L E P， Gobbi A L， Jesus D P， Coltro W K T. Microsyst. Technol.， 2015， 21（6）： 1345-1352

32 Junior E O L， Gabriel E F M， Santos R A， Souza F R， Lopes W D， Lima R S， Gobbi A L， Coltro W K T. Electrophoresis， 2017， 38（2）： 250-257

33 Santana P P， Segato T P， Carrilho E， Lima R S， Dossi N， Kamogawa M Y， Gobbi A L， Piazzetaf M H， Piccin E. Analyst， 2013， 138（6）： 1660-1664

34 Liu J， Xu F， Wang S， Chen Z， Pan J， Ma X， Jia X， Xu Z， Liu C， Wang L. Electrochem. Commun.， 2012， 25（21）： 147-150

35 Liu J， Wang J， Chen Z， Yu Y， Yang X， Zhang X， Xu Z， Liu C. Lab Chip， 2011， 11（5）： 969-973

36 Fu L M， Lee C Y， Liao M H， Lin C H. Biomed. Microdevices， 2008， 10（1）： 73-80

37 Henderson R D， Guijt R M， Andrewartha L， Lewis T W， Rodemann T， Henderson A， Hilder E F， Haddad P R， Breadmore M C. Chem. Commun.， 2012， 48（74）： 9287-9289

38 Zhao J， Chen Z， Li X， Pan J. Talanta， 2011， 85（5）： 2614-2619

39 Yan X， Liu W， Yuan Y， Chen C. Anal. Methods， 2015， 7（12）： 5295-5302

40 Gaudry A J， Breadmore M C， Guijt R M. Electrophoresis， 2013， 34（20-21）： 2980-2987

41 Thredgold L D， Khodakov D A， Ellisa A V， Lenehan C E. Analyst， 2013， 138（15）： 4275-4279

42 Junior G D， Silva J A F， Francisco K J M， Lago C L， Carrilho E， Coltro W K T. Electrophoresis， 2015， 36（16）： 1935-1940

43 Petroni J M， Lucca B G， Ferreira V S. Anal. Chim. Acta， 2017， 954： 88-96

44 Chen C H， Lin Y T， Lin M S. Anal. Chim. Acta， 2015， 874： 33-39

45 Long H P， Lai C C， Chung C K. Surf. Coat. Tech.， 2017， 320： 315-319

46 Campos R P S， Yoshida I V P， Silva J A F. Electrophoresis， 2014， 35（16）： 2346-2352

47 Bashir S， Bashir M， Solvas X C， Rees J M， Zimmerman W B. Micromachines， 2015， 6（10）： 1445-1458

48 Park J， Jo K H， Park H Y， Hahn J H. Sens. Actuators B， 2016， 232： 428-433

49 Shahsavan H， Quinn J， Eon J， Zhao B. Colloids Surfaces A， 2015， 482： 267-275

50 Chen J， Liang R P， Wu L L， Qiu J D. Electrophoresis， 2016， 37（12）： 1676-1684

51 Yu H， Chong Z Z， Tor S B， Liua E， Loha N H. RSC Adv.， 2015， 5（11）： 8377-8388

52 Yasui T， Mohamadi M R， Kaji N， Okamoto Y， Tokeshi M， Baba Y. Biomicrofluidics， 2011， 5（4）： 044114

53 Kitsara M， Nwankire C E， Walsh L， Hughes G， Somers M， Kurzbuch D， Zhang X， Donohoe G G， Kennedy R O， Ducree J. Microfluid. Nanofluid.， 2014， 16（4）： 691-699

54 Karlinsey J M. Anal. Chim. Acta， 2012， 725： 1-13

55 Saito R M， Coltro W K T， Jesus D P. Electrophoresis， 2012， 33（17）： 2614-2623

56 Wang W， Wang Z， Lin X， Wang Z， Fu F. Talanta， 2012， 100（20）： 338-343

57 Tsai C H， Yang R J， Tai C H， Fu L M. Electrophoresis， 2005， 26（3）： 674-686

58 Gabriel E F M， Santos R A， Junior E O L， Rezende K C A， Coltro W K T. Talanta， 2017， 162： 19-23

59 Ha J W， Hahn J H. Anal. Chem.， 2016， 88（9）： 4629-4634

60 Ha N S， Ly J， Jones J， Cheung S， Dam R M. Anal. Chim. Acta， 2017， 985： 129-140

61 Ken J， Sue Y S. Chromatography， 2012， 33（1）： 25-33

62 Kitagawa F， Kawai T， Sueyoshi K， Otusuka K. Anal. Sci.， 2012， 28（2）： 85-93

63 Cong Y Z， Katipamula S， Geng T， Prost S A， Yang K Q， Kelly R. Electrophoresis， 2016， 37（3）： 455-462

64 Chiu P H， Weng C H， Yang R J. Sensors， 2015， 15（12）： 30704-30715

65 Son S Y， Lee S， Lee H， Kim S J. BioChip J.， 2016， 10（4）： 251-261

66 Kitagawa F， Kinami S， Takegawa Y， Nukatsuka I， Sueyoshi K， Kawai T， Otusuka K. Electrophoresis， 2017， 38（2）： 380-386

67 Kitagawa F， Ishiguro T， Tateyama M， Nukatsuka I， Sueyoshi K， Kawai T， Otsuka K. Electrophoresis， 2017， 38（16）： 2075-2080

68 Nogueira T， Lago C L. Microchem. J.， 2011， 99（2）： 267-272

69 Liu B， Zhang Y， Mayer D， Krause H J， Jin Q， Zhao J， Offenhausser A， Xu Y. Electrophoresis， 2012， 33（8）： 1247-1250

70 Staal S， Ungerer M， Floris A， Brinke H W T， Helmhout R， Tellegen M， Janssen K， Karstens E， Arragon C， Lenk S， Staijen Erik， Bartholomew J， Krabbe H， Movig K， Dubsky P， Berg A， Eijkel J. Electrophoresis， 2015， 36（5）： 712-721

71 Freitas C B， Moreira R C， Tavares M G O， Coltro W K T. Talanta， 2016， 147： 335-341

72 Smolka M， Enengl D P， Bipoun M， Klasa A， Kiczkajlo M， Smiechowski W， Sowinski P， Krutzler C， Keplinger F， Vellekoop M J. Precision Agric.， 2017， 18（2）： 152-168

73 Xu Z， Wang X， Weber R J， Kumar R， Dong L. IEEE Sens. J.， 2017， 17（14）： 4330-4339

74 Chan H N， Chen Y， Shu Y， Chen Y， Tian Q， Wu H. Microfluid. Nanofluid.， 2015， 19（1）： 9-18

75 Chagas C L S， Souza F R， Cardoso T M G， Moreira R C， Silva J A F， Jesus D P， Coltro W K T. Anal. Methods， 2016， 8（37）： 6682-6686

76 Viswanath A， Li T， Gianchandani Y. J. Micromech. Microeng.， 2014， 24（6）： 065017