基于微流控芯片的在线滴定

图1.  非连续性的经典滴定方法和连续性同时滴定方法的比较。

基于微流控芯片系统的同时滴定仪可实现在线滴定分析，使测量连续流动的样品成为可能，并由此大大减少了分析时间和试剂的消耗。

滴定法和重量法一样，是目前最经典也最基础的分析方法，其在1830年由法国化学家、物理学家盖·吕萨克创立，广泛用于测定样品中已知分析溶质的未知浓度。已知浓度的测量溶液（滴定液或滴定剂），以小剂量方式连续加入到待测溶液中，直至两种反应剂（分析溶质和滴定剂）等当量反应为止，根据所消耗的滴定剂的体积和浓度以及样品的质量，按照化学反应的计量学原理，计算出待测溶液的浓度。用于滴定的化学反应的类型一般为酸/碱反应、氧化还原反应、络合反应以及沉淀反应。

滴定终点指两种反应剂等当量反应的那一点，借助于适当的指示剂系统可进行滴定终点的确定。指示剂系统能反应出对滴定反应具有特征性的测量值（例如pH值、电导值、氧化还原电势或吸光度），该值是所加入测量溶液绝对体积的函数，多呈现为S型滴定曲线（见图2中的蓝色曲线）。测量溶液在滴定终点或等当点的准确体积可通过滴定曲线计算出来，即一阶导数的最大值（见图2中的红色曲线）或二阶导数的零点。

新型滴定仪是带pH计和驱动装置的滴定管组合体。滴定过程的长短取决于化学体系的反应时间、指示剂系统的响应行为、所选定的添加步骤的数目、测定的点数、溶液介质以及样品量的多少。采用优化的实验方法和利用电子数据处理的现代化滴定管体系，动态滴定过程可于2~20min内完成。在进行经典滴定实验时，滴定剂逐步加入，滴定剂的消耗大约每次5~20 ml，假如分析实验室平均每天完成50次滴定的话，那么每月要消耗大约10L滴定剂，这就使得经典滴定法成为成本高且还产生大量废液的分析方法。

图2.  经典的酸/碱滴定的滴定曲线（蓝色）及其一阶导数曲线（红色），一阶导数的极大值相应于滴定的等当点。

微型化的滴定测量仪

SI Analytics有限公司与美因兹微技术研究所（IMM）合作开发地=的基于微流控芯片全分析系统（Lab on a Chip）技术的微型分析仪器，集成了微型化的指示电极，微型化溶液和移植于芯片上的检测池实现了微型化操作，使滴定剂的消耗减至每月1~2L。微流控芯片是仪器的核心，系统允许在液流中进行滴定，在连续流动的样品溶液毛细管中，滴定剂与一系列等距离的加入点进行混合，图3（左上）表示微流控芯片用于酸/碱滴定的解决方案，图3（右）显示了该方案在聚合物芯片上的执行情况。在这些单个的加入点后面，静态混合器进行着混合工作（分隔与联合原理），以便在玻璃电极上进行pH测量。最后结果的处理方法是，将“经典”滴定的滴定曲线的体积轴（X轴）转化到长轴上，位于长轴上的加入点即测量点（见图1）。在微流控芯片系统中安置微型指示电极，往流动的样品流中同时加入滴定剂，采用这种方式几乎能对所有测量点进行同时记录，由此可在连续的样品流和滴定剂流中实现滴定曲线的绘制，从而大大降低分析时间，连续同时滴定的一般测量时间大约为20s。

图3.  用于酸/碱滴定的微流控芯片分析系统的流程设计示范图。右图：进行连续同时滴定流程设计的微流控聚合物芯片：1-样品入口，设有8个滴定剂单元；2-滴定剂入口； 3-混合点；4-指示电极（例如pH-电极）；5-样品出口。

滴定曲线的求值

滴定曲线的形状类似于“经典滴定曲线”（见图4）。等当点的确定和经典滴定方法一样，不同之处在于滴定曲线是连续形成的。样品量的变化表现为等当点的移动，曲线的一阶导数最大值也会沿X轴移动（见图4的红色曲线）。

由于滴定剂液流总是等于样品液流，因此能很方便地采用参考溶液进行校正。关于匹配性的问题（例如pH电极斜率的确定），在最简单的情况下可通过将两种已知pH值的溶液（例如参考溶液和滴定剂溶液）先后泵入微流控芯片系统中确定，利用所得的测量数值可绘出两点式校正曲线。

现代算法如同动态滴定一样，同样可以通过不同的芯片设计实现，比如通过对滴定剂管路的入流口按照不同的距离和数量排列，滴定曲线也可将实验曲线与模拟曲线对比后进行优化。

图4. 采用同时滴定仪所得到的酸/碱滴定曲线（蓝色）和一阶导数曲线（红色）。

适合多种应用

酸/碱滴定是最常用的滴定方法，已广泛用于化工、制药和食品工业。玻璃电极是最重要的指示电极，对于多种应用环境，已开发和验证了上千种方法。而基于芯片的微流控系统允许进行多种形式的管道和指示电极排列设计，大部分方法都能转移到基于芯片技术的同时滴定仪上，新方法能结合应用的具体要求，对测量分辨率、精密度以及结果的重现性进行优化。

这种基于芯片技术的同时滴定仪也适用于化学反应的过程控制，其自动化的特点允许对过程参数进行持续监控。由于仅需要少量的样品溶液和滴定剂溶液（大约1ml/h），这种同时滴定仪也成为一种非常合适的微控制单元解决方案，尤其是制药工业中监控pH值对化学反应和产品质量的影响时。

此外，仪器的指示电极可以替换，例如可用银电极取代pH电极，用于滴定卤素化合物，如氯化物、溴化物或其它可与银反应的物质。芯片中置入铂或双铂电极还可用于氧化还原反应（例如碘量法）。如果采用离子选择性电极，应用范围还能进一步扩大。

微流控芯片全分析系统下的同时滴定

这种新的滴定方法优化了经典的线性容量分析方法，基于微流控芯片全分析系统建立，可在液流中同时滴定并确定反应终点，可用于在线分析，减少过程控制中的测量时间（仅为20s）和试剂消耗（约1~2L/月）。