微流控芯片样品处理单元技术分析

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：而在检测微量样品时，需要提取样品处理单元。样品前处理的目的主要有减少样品的复杂性和浓缩样品。样品前处理手段主要有萃取、过滤、膜分离、等速电泳、自由流电泳、层析技术等。但是芯片样品前处理的技术含量高、操作难度大，芯片样品前处理目前可以有效地重现大多数常规操作，是微流控芯片研究的一个热点方向。

生物样品(如体液、组织和食物样品)的构成复杂，包含低分子量到高分子量一系列组分的混合物。而在检测微量样品时，需要提取(或预分离、浓缩等)样品处理单元。样品前处理的目的主要有减少样品的复杂性和浓缩样品。样品前处理手段主要有萃取、过滤、膜分离、等速电泳、自由流电泳、层析技术等。但是芯片样品前处理的技术含量高、操作难度大，芯片样品前处理目前可以有效地重现大多数常规操作，是微流控芯片研究的一个热点方向。

作为一种有效的芯片样品前处理手段，液液萃取(liquid-liquid extraction)是利用物质在两种互不相溶(或微溶)的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使物质从一种溶剂内转移到另一种溶剂中的分离手段。在微流控芯片中实现液液萃取，关键是要在芯片内实现两相(或多相)液体的明显界面以及此后两相(或多相)液体的有效分离。根据微流控芯片和微流体的性质，这种界面可以用多种手段实现，如利用芯片结构、多相层流、液滴操控都可以实现微流控芯片中的液液萃取。固相萃取(Solid Phase Extraction，SPE)技术是基于液-固两相色谱理论，使用选择性吸附和洗脱的方式对样品进行富集、分离和纯化的一种技术。固相萃取比较容易在芯片上实现，因此在芯片上出现得比液液萃取更早。

过滤(filtration)是常规样品前处理最常见的手段，是指在推动力或其他外力作用下悬浮液(或含固体颗粒发热气体)中的液体(或气体)透过介质，固体颗粒及其他物质被过滤介质截留，从而使固体及其他物质与液体(或气体)分离的操作。在芯片上过滤一般通过膜过滤、滤筛式或微柱阵列等特殊的结构实现。膜分离是利用膜的选择性分离功能来实现溶液中不同组分的浓缩、分离、纯化的一种技术。根据膜的孔径不同，可将其分为微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)等；根据膜的材料不同，可将其分为无机膜和有机膜两种。无机膜主要包括瓷膜和金属膜，主要是微滤膜尺度；有机膜的材质是高分子材料。物质选择性透过膜的能力可分为两种：一种需要借助外界能量，使物质由低位流向高位，称为膜过滤；另一种的推动力是化学位差，物质由高位流向低位，称为渗析。

芯片上样品浓缩方法包括：

(1)电驱动富集技术：基于场放大堆积、等速电泳、胶束堆积、等电聚焦、电预浓缩等。(www.chuimin.cn)

(2)选择性过滤、吸附/萃取(洗脱)方法。

(3)以上两种方式的结合[56]。

与微流控芯片上其他富集技术比较，微流控芯片电驱动在线富集技术仅通过两端电极加电即可实现富集，更容易与微流控芯片整合，是一种高效在线富集手段。其中，等速电泳(ITP)是根据被分离离子在电泳过程中的淌度不同得以分离的一种技术。离子淌度是指单位场强下离子迁移的速率。等速电泳的样品中加入前导电解质(淌度最大)和尾随电解质(淌度最小)，样品夹在前导电解质和尾随电解质之间，在外加电场作用下，经过一段时间电泳后，达到完全分离。被分离的不同组分按照迁移率大小的次序依次排列在领先离子和终末离子区带之间。ITP的最大特点是能将被分离的组分压缩为一个很窄的区带，达到富集目的，并且通过改变尾随电解质的成分来提高预富集效果。由于ITP进样体积可以比区带电泳大很多，且具有很强的谱带压缩和分离能力，因此可以作为预浓缩和净化手段[44]。

微流控芯片样品处理单元技术分析

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