CN100380126C - 通用型集成高效散热的微流控芯片检测一体化装置 - Google Patents
通用型集成高效散热的微流控芯片检测一体化装置 Download PDFInfo
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Abstract
通用型集成散热的微流控芯片检测一体化装置，包括微流控芯片、激光器，光纤，光电倍增管，显微物镜，滤光片，芯片毛细管专用高压电源、铂电极组成，其特征是设有散热器芯片支持平台，在散热平台上集成分离电极和加样电极，在平台表面露出铂电极端，将激光器通过入射光纤(14)固定在三维调节器上(6)，通过调节三维调节器进行激发光路和荧光接收光路的定位。利用散热器对芯片电泳进行高效散热，通过非共聚焦的方式对物质进行激光诱导荧光检测。该装置对芯片散热有着很明显的改善作用，同时对荧光素进行了实际样品检测，结果良好。
Description
技术领域
本发明是一种集成散热器的芯片毛细管电泳光检测一体化装置，具体地说，是在散热装置上集成激光诱导荧光检测和毛细管电泳芯片，通过精确控制激光入射点的位置，发挥散热器高效散热的优势，对样品进行高效分离和高灵敏度检测。
背景技术
微全分析系统是目前分析科学的研究前沿热点之一。传统的分析仪器和手段都需要大量的人力物力，整个过程自动化程度较低，同时试剂和能源的消耗量很大，这些都给分析科学在今后的发展造成了不利影响。在此背景之下，微全分析系统的研究应运而生。微全分析系统可以将实验室整个分析流程如样品处理、样品过滤、样品分离以至样品检测等集成在一小块芯片上进行，可以实现整个分析流程的自动化和微型化，为今后分析仪器成为消费型产品走入千家万户奠定基础。
目前的微全分析系统的研究中热点较多，其中一个重要的热点就是集成于芯片的微流控分析系统。目前成功商品化的检测仪器多采用玻璃芯片和共聚焦激光诱导荧光(LIF)检测器，它能够在柱检测受激光诱导出荧光信号的物质，灵敏度和分离效率较高。但是玻璃芯片的制造较为复杂，成本也较高，难以大量推广。共聚焦型LIF检测器由于要用到共聚焦荧光显微镜作为光学系统，结构复杂，难以实现微型化，有悖于“微全分析系统”的初衷。
目前高分子材料用于微流控芯片的制造，它制作方法简单，成本低廉，适合大规模生产推广。但由于大部分高分子材料的散热性能不及玻璃，这增加了柱内的焦耳热，降低了分离的柱效。在光检测器上，非共聚焦光路较为简单，能够实现微型化集成，但较之共聚焦型LIF检测器，它的检测效率较低，检测限不高。同时另一个关键性的问题在于入射激光在管道上精确定位较难，由于管道的微型化，这已成为一个突出问题。
在电泳分离中，要实现快速，高效的分离要求施加的分离场强尽可能高，然而高场强会产生过多的焦耳热而对分离效率产生负面影响。在芯片毛细管电泳中，虽然散热效率要高于常规毛细管电泳，但是高场强分离依然受到焦耳热的制约，例如胶束电动色谱法(MECC)，因为受到焦耳热降低柱效的影响，在芯片中难以广泛应用，同时焦耳热效应还制约了高浓度缓冲溶液的使用。因此如何提高芯片电泳的散热效率，就成了改善柱效和提高分离度的技术关键，因而也就成为了微流控研究的一个热点。
因此，发展集成型一体化的低成本、高效率、通用型的芯片毛细管电泳装置，已经成为微全分析系统早日商品化并走向千家万户的必经之路。
发明内容
本发明使用简单的仪器设备，克服了现有技术的一些缺点。通过在散热器上集成激光诱导荧光检测装置和毛细管电泳芯片，明显改善了柱内焦耳热效应；同时通过微型三维调节器方便地实现了光路的聚焦定位，装置可用于实际样品的检测。这里还提供了一种方便和有效的放置和固定电极的方法，非常有利于微全分析系统的商品化应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通用型集成高效散热的微流控芯片检测一体化装置，包括微流控芯片、激光器，光纤，光电倍增管，显微物镜，滤光片，芯片毛细管专用高压电源、铂电极，还设有散热器，散热器由一块铝制散热片和其正下方的散热风扇构成，在散热器平台上集成分离电极和加样电极，在平台表面露出铂电极端，所述微流控芯片结构是在散热器平台上铺高分子材料薄膜，高分子材料固化后作为芯片的底片，然后将管道芯片贴合在薄膜上，组成完整的微流控芯片，在散热器平台一侧固定支架，上方固定三维调节器，将激光器通过光纤固定在三维调节器上，用光纤接收荧光信号，通过调节三维调节器进行激光激发光路和荧光接收光路的定位，检测得到的荧光信号经过显微物镜和滤光片进入光电倍增管转化成电信号。光线入射的角度和平台水平面保持45度，用光纤来接受荧光信号。利用三维调节器可以对激光激发光路和荧光接收光路进行定位。
其中铂电极用来作为微管道的分离高压、加样高压、分离接地和加样接地电极。检测的荧光信号由光纤传出以后，经过放大滤光光路，由数据采集装置收集，最后通过计算机输出。
该技术的最佳运行参数是：分离电压：200V/cm～1400V/cm；运行缓冲液PBS(磷酸盐)溶液，SDS缓冲溶液。
本发明的具体效果如下：本发明采用高分子材料制造微流控芯片，它制作方法简单，成本低廉，使用该装置的散热系统改善了芯片毛细管电泳在高场强下的焦耳热效应的负面影响，在电泳分离中，实现快速，高效，确保了高柱效和更好的分离效果。在高浓度的PBS缓冲溶液和SDS缓冲溶液中，可以在很高的场强下保证稳定的分离电流，并有效降低了焦耳热效应。同时本装置彻底解决了非共聚焦光检测技术中光路和管道难以对准的问题，保证了检测结果良好的重现性。另外本装置利用散热器平台将分离、检测两部分集成为一体，电极固定性好，微型化程度高，降低了成本和消耗。在光检测器上，入射激光在微型化管道上定位较精确。
附图说明
图1为本发明集成散热器的芯片毛细管电泳光检测一体化装置的侧视构造示意图。图中：1，散热片；2，风扇；3，微流控芯片；4，PDMS(对聚二甲硅氧烷)薄膜底片；5，电极；6，三维调节器；7，激光器；8，光纤；9，显微物镜和滤光片；10，毛细管电泳高压电源；11，光电倍增管；12，高压电源和数据接收装置；13，计算机处理终端；14，石英光纤。
图2为本发明芯片毛细管电泳集成电化学系统的俯视图。3，微流控芯片，4，PDMS薄膜底片，15，检测点，16，铂电极穿出位置。
图3为利用本发明检测时，100mmol/L PBS缓冲溶液中，有和没有散热系统的欧姆曲线对比图。
图4为利用本发明检测时，管道在不同场强下，在一定时间段内，有和没有散热系统下分离电流变化趋势对比图。
图5为利用本发明检测时，50mmol/L SDS+10mmol/L硼砂缓冲溶液中，有和没有散热系统的欧姆曲线对比图。
图6为利用本发明检测时，1×10-6mol/L荧光素检测的电泳图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在图1所示的集成散热器的芯片毛细管电泳光检测一体化装置中，主要由一个集成微型三维调节器的散热器，芯片支持平台，同时包括微流控芯片、一个铝制散热器，一个散热风扇，一台激光器发射器，若干光纤，一个光电倍增管，一个背式投影管PMT，一个显微物镜，一片滤光片，一个聚焦透镜，一台芯片毛细管专用高压电源、若干根铂电极、一个显微镜等组成。散热器由一块铝制散热片和正下方的散热风扇构成。在散热平台上集成分离电极和加样电极，在平台表面露出铂电极端。用高分子材料在散热平台上铺成厚度为0.5mm左右的薄膜，固化后作为芯片的底片部分，然后将管道芯片贴合在薄膜上，组成完整的微流控芯片。在散热器平台一侧固定支架，上方固定三维调节器，调节器夹住激光光纤。光线入射的角度和平台水平面保持45度，用光纤来接受荧光信号。利用三维调节器可以对激光激发光路和荧光接收光路进行定位。从而在散热装置上集成激光诱导荧光检测和毛细管电泳芯片，通过精确控制激光入射点的位置，发挥散热器高效散热的优势，对样品进行高效分离和高灵敏度检测。
将接收光纤，分离高压电极、分离接地电极、加样高压电极、加样接地电极集成固化在散热器中，实验前先将高分子(4)在散热器表面铺开，制成薄膜层。然后将芯片(3)紧密贴合在薄膜层上，将电极(5)置于芯片上的液池正中。将激光入射光纤(14)固定在三维调节器上(6)，通过调节三维调节器进行激发光路和荧光接收光路的定位。用真空泵使芯片的加样和分离管道都充满缓冲液；将各电极连接在所用芯片毛细管电泳用高压电源(10)上。检测得到的荧光信号经过显微物镜和滤光片(9)，进入光电倍增管(11)转化为电信号。光电倍增管和高压电源和数据接收装置(12)相连。高压电源和数据接收装置以及芯片毛细管电泳用高压电源均与计算机(7)相连。在检测时，开启散热风扇(2)，加速芯片散热。
为了测定管道的焦耳热效应，同时确定最佳分离电压，一般可以通过实验作欧姆定律曲线(I-V曲线)，按照欧姆定律
V＝IR
系统负载(毛细管电阻R)恒定时，通过毛细管的电流(I)与外加电压(V)呈线性关系，随着V升高，产生的焦耳热增多。若芯片不能及时散发产生的焦耳热，缓冲溶液的电阻则降低，负载变小，电流增加偏离线性。因此，在选定条件下作欧姆曲线，通过拐点就可以确定最佳分离电压。
图4为100mMPBS缓冲溶液中，有和没有散热系统的欧姆曲线对比图。我们从装置中移去了散热片和风扇，对高浓度的PBS溶液作欧姆曲线，图中显示场强达到200V/cm时，曲线开始偏离线性。而在加入散热装置以后，拐点出现在400/cm附近，这显示了装置对散热有着非常明显的改善，将最佳分离电压提升了近一倍。
图5同样采用100mmol/L PBS作为缓冲溶液，在不同场强下，加电压持续25-30s，对有无散热系统下分离电流变化趋势进行对比。从图中我们可以看到，随着场强的增加，在没有散热的普通装置上，电流上升很快，特别是在550V/cm时，电流几乎呈直线上升。而在集成散热装置以后，在高场强下，电流相当平稳，在550V/cm时能可以保持较稳定的分离电流。这对于改善柱效，降低焦耳热的负面影响有着十分明显的作用。
图6为50mmol/L SDS+10mmol/L硼砂缓冲溶液中，有和没有散热系统的欧姆曲线对比图。由于高浓度SDS添加剂的加入，使得管道中焦耳热效应显著增加，这给MECC在高场强下的应用带来了困难。在没有散热措施的情况下，欧姆曲线的拐点出现在800V/cm，而集成了散热器以后，拐点出现在1300V/cm附近，这极大提升了MECC的最佳分离电流。
图7为利用本集成一体化装置，对1×10-6mol/L荧光素进行实际检测的电泳图。其结果证明了该装置可以有效的对实际样品进行检测分离，并能达到较为理想的检测限。
鉴于微流控分析系统在分析化学，特别在生命分析化学的研究和应用领域的重要性，所以这种集成散热器的芯片毛细管电泳光检测一体化装置的发明，将有广阔的应用前景，并产生巨大的社会和经济效益。
Claims (3)
1.通用型集成高效散热的微流控芯片检测一体化装置，包括微流控芯片，激光器，光纤，光电倍增管，显微物镜，滤光片，芯片毛细管专用高压电源、铂电极，其特征是还设有散热器，散热器由一块铝制散热片和其正下方的散热风扇构成，在散热器平台上集成分离电极和加样电极，在平台表面露出铂电极端，所述微流控芯片结构是在散热器平台上铺高分子材料薄膜，高分子材料固化后作为芯片的底片，然后将管道芯片贴合在薄膜上，组成完整的微流控芯片，在散热器平台一侧固定支架，上方固定三维调节器，将激光器通过光纤(14)固定在三维调节器上(6)，用光纤接收荧光信号，通过调节三维调节器进行激光激发光路和荧光接收光路的定位，检测得到的荧光信号经过显微物镜和滤光片进入光电倍增管转化成电信号。
2.由权利要求1所述的通用型集成高效散热的微流控芯片检测一体化装置，其特征是高分子材料铺成厚度为0.3-1mm的薄膜。
3.由权利要求1所述的通用型集成高效散热的微流控芯片检测一体化装置，其特征是将微流控芯片底片直接和散热器相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080409 |