基于微流控芯片的在線滴定

圖1.  非連續性的經典滴定方法和連續性同時滴定方法的比較。

基于微流控芯片系統的同時滴定儀可實現在線滴定分析，使測量連續流動的樣品成為可能，并由此大大減少了分析時間和試劑的消耗。

滴定法和重量法一樣，是目前最經典也最基礎的分析方法，其在1830年由法國化學家、物理學家蓋·呂薩克創立，廣泛用于測定樣品中已知分析溶質的未知濃度。已知濃度的測量溶液（滴定液或滴定劑），以小劑量方式連續加入到待測溶液中，直至兩種反應劑（分析溶質和滴定劑）等當量反應為止，根據所消耗的滴定劑的體積和濃度以及樣品的質量，按照化學反應的計量學原理，計算出待測溶液的濃度。用于滴定的化學反應的類型一般為酸/堿反應、氧化還原反應、絡合反應以及沉淀反應。

滴定終點指兩種反應劑等當量反應的那一點，借助于適當的指示劑系統可進行滴定終點的確定。指示劑系統能反應出對滴定反應具有特征性的測量值（例如pH值、電導值、氧化還原電勢或吸光度），該值是所加入測量溶液絕對體積的函數，多呈現為S型滴定曲線（見圖2中的藍色曲線）。測量溶液在滴定終點或等當點的準確體積可通過滴定曲線計算出來，即一階導數的最大值（見圖2中的紅色曲線）或二階導數的零點。

新型滴定儀是帶pH計和驅動裝置的滴定管組合體。滴定過程的長短取決于化學體系的反應時間、指示劑系統的響應行為、所選定的添加步驟的數目、測定的點數、溶液介質以及樣品量的多少。采用優化的實驗方法和利用電子數據處理的現代化滴定管體系，動態滴定過程可于2~20min內完成。在進行經典滴定實驗時，滴定劑逐步加入，滴定劑的消耗大約每次5~20 ml，假如分析實驗室平均每天完成50次滴定的話，那么每月要消耗大約10L滴定劑，這就使得經典滴定法成為成本高且還產生大量廢液的分析方法。

圖2.  經典的酸/堿滴定的滴定曲線（藍色）及其一階導數曲線（紅色），一階導數的極大值相應于滴定的等當點。

微型化的滴定測量儀

SI Analytics有限公司與美因茲微技術研究所（IMM）合作開發地=的基于微流控芯片全分析系統（Lab on a Chip）技術的微型分析儀器，集成了微型化的指示電極，微型化溶液和移植于芯片上的檢測池實現了微型化操作，使滴定劑的消耗減至每月1~2L。微流控芯片是儀器的核心，系統允許在液流中進行滴定，在連續流動的樣品溶液毛細管中，滴定劑與一系列等距離的加入點進行混合，圖3（左上）表示微流控芯片用于酸/堿滴定的解決方案，圖3（右）顯示了該方案在聚合物芯片上的執行情況。在這些單個的加入點后面，靜態混合器進行著混合工作（分隔與聯合原理），以便在玻璃電極上進行pH測量。最后結果的處理方法是，將“經典”滴定的滴定曲線的體積軸（X軸）轉化到長軸上，位于長軸上的加入點即測量點（見圖1）。在微流控芯片系統中安置微型指示電極，往流動的樣品流中同時加入滴定劑，采用這種方式幾乎能對所有測量點進行同時記錄，由此可在連續的樣品流和滴定劑流中實現滴定曲線的繪制，從而大大降低分析時間，連續同時滴定的一般測量時間大約為20s。

圖3.  用于酸/堿滴定的微流控芯片分析系統的流程設計示范圖。右圖：進行連續同時滴定流程設計的微流控聚合物芯片：1-樣品入口，設有8個滴定劑單元；2-滴定劑入口； 3-混合點；4-指示電極（例如pH-電極）；5-樣品出口。

滴定曲線的求值

滴定曲線的形狀類似于“經典滴定曲線”（見圖4）。等當點的確定和經典滴定方法一樣，不同之處在于滴定曲線是連續形成的。樣品量的變化表現為等當點的移動，曲線的一階導數最大值也會沿X軸移動（見圖4的紅色曲線）。

由于滴定劑液流總是等于樣品液流，因此能很方便地采用參考溶液進行校正。關于匹配性的問題（例如pH電極斜率的確定），在最簡單的情況下可通過將兩種已知pH值的溶液（例如參考溶液和滴定劑溶液）先后泵入微流控芯片系統中確定，利用所得的測量數值可繪出兩點式校正曲線。

現代算法如同動態滴定一樣，同樣可以通過不同的芯片設計實現，比如通過對滴定劑管路的入流口按照不同的距離和數量排列，滴定曲線也可將實驗曲線與模擬曲線對比后進行優化。

圖4. 采用同時滴定儀所得到的酸/堿滴定曲線（藍色）和一階導數曲線（紅色）。

適合多種應用

酸/堿滴定是最常用的滴定方法，已廣泛用于化工、制藥和食品工業。玻璃電極是最重要的指示電極，對于多種應用環境，已開發和驗證了上千種方法。而基于芯片的微流控系統允許進行多種形式的管道和指示電極排列設計，大部分方法都能轉移到基于芯片技術的同時滴定儀上，新方法能結合應用的具體要求，對測量分辨率、精密度以及結果的重現性進行優化。

這種基于芯片技術的同時滴定儀也適用于化學反應的過程控制，其自動化的特點允許對過程參數進行持續監控。由于僅需要少量的樣品溶液和滴定劑溶液（大約1ml/h），這種同時滴定儀也成為一種非常合適的微控制單元解決方案，尤其是制藥工業中監控pH值對化學反應和產品質量的影響時。

此外，儀器的指示電極可以替換，例如可用銀電極取代pH電極，用于滴定鹵素化合物，如氯化物、溴化物或其它可與銀反應的物質。芯片中置入鉑或雙鉑電極還可用于氧化還原反應（例如碘量法）。如果采用離子選擇性電極，應用范圍還能進一步擴大。

微流控芯片全分析系統下的同時滴定

這種新的滴定方法優化了經典的線性容量分析方法，基于微流控芯片全分析系統建立，可在液流中同時滴定并確定反應終點，可用于在線分析，減少過程控制中的測量時間（僅為20s）和試劑消耗（約1~2L/月）。