微流控芯片检测技术进展

　　微全分析系统(micro total analysis systems,μTAS)又称芯片实验室(lab on a chip,LOC),是在20世纪90年代由瑞士的W idmer和Manz提出的[1, 2].μTAS的目标是通过化学分析设备的微型化与集成化,最大限度地把分析实验室的功能集成到便携设备上,甚至是方寸大小的芯片上.而由于检测器的总体性能将影响整个微流控芯片分析系统的检出限、检测速度、适用范围以及体积等指标,是微流控芯片分析系统的一个关键部分,因此有关检测器和检测方法的研究已经成为微流控芯片领域的一个重点和热点.

　　基于不同检测原理的众多检测方法都被运用于微流控芯片分析的研究中.微流控芯片检测器一般按照其原理分类,大致可以分为光学检测器、电化学检测器和质谱检测器等.

　　1　光学检测

　　根据采用的光学原理不同,在μTAS中常用的光学检测,又可以细分为荧光检测、吸收光度检测及电化学发光检测等多种检测技术.

　　1.1　荧光检测器

　　荧光检测具有极高的灵敏度,早期微流控分析系统中的荧光检测器大多采用激光诱导荧光检测( laserinduced fluorescence, LIF).从最初运用于微流控芯片检测的488 nm的氩离子激光器、显微镜物镜和光电倍增管(PMT)组合成的检测系统,到之后Harrison研究组[3, 4]设计的共聚焦型LIF检测器,以及把日本Nichia公司[5]研制的发射波长在405 nm的半导体二极管激光器运用于传统毛细管电泳检测,都是为了在取得一定检测限的前提下,从光源方面着手减小检测器的体积.之后,Webster研究组[6]和Chabinyc等[7]成功地把LED(发光二极管)集成在微流控芯片上,并达到了一定的检测限.此外,还有一种把垂直表面空腔激光发射器(VCSEL)和光电二极管集成在一起的特殊集成检测器,最早是由Sandia实验室的Lindner[8]等人研制的.在此基础上,Kamei[9]进行了改进,采用了一种Si2H(氢化非晶硅)制作的更高灵敏的光电二极管的检测器,如图1所示.

　　在检测器件方面,Qin等人[10]采用一种可调波长的染料激光器用于激发荧光,并且用增强型CCD器件作为荧光接收器件.Namasivayam[11]等人制作了一种集成在芯片上的检测结构,它采用了PINN+的光电二极管,对DNA的检测限达到了0. 9 ng/μL.

　　1.2　吸收光度检测器

　　吸收光度检测是一种应用广泛的通用光学检测方法,它具有可测定的物质种类多、仪器结构较简单等优点.但是由于在吸收光度检测中,灵敏度与吸收池的光程成正比,而微流控芯片通道检测体积小、吸收光程短,导致系统的相对灵敏度较低,其应用受到很大限制.为了提高吸光度检测器在微流控芯片中的灵敏度,可以采用特殊设计的吸收池结构来使光线在吸光池中产生多重反射来增加光程,从而达到提高检测限的目的.例如,根据Verpoorte等人[12]的早期设计,Harrison及其同事[13]做的提高光程的设计; Duggan研究组[14]报道了的液芯波导检测技术;Kitamori及其同事采用的激光热透镜检测法[15, 16].还有些检测系统在检测器的光电发射接收部分进行特殊设计或者对信号进行处理以提高信噪比和灵敏度,例如Collins等[17]采用的方法是用光电二极管阵列作为检测器,而Mao等[18]采用线阵CCD作为检测器.增加光程的一种方法如图2所示.