CN100489537C - 微分析芯片的高通量连续换样装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于微分析芯片上的高通量连续换样装置及其使用方法，该装置的特征是，连续换样装置由芯片取样探针和加工有供探针进出的缺口的试样管阵列组成。本发明的优点是在微分析芯片上实现高通量快速的换样操作，系统结构简单，体积小，容易实现自动化操作，分析通量高。

Description

微分析芯片的高通量连续换样装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及的领域为微流控芯片分析，特别是涉及一种用于微分析芯片的高通量连续换样装置及其使用方法。

背景技术

微流控芯片分析以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，把试样的采集、预处理、分离、反应、检测等部分集成在几平方厘米的面积内，从而高效、快速地完成试样的分离、分析及检测。通常，微流控芯片由上下两层或多层芯片构成，芯片的材料为单晶硅、或石英、或玻璃、或高分子聚合物等。芯片的面积约为几平方厘米，微通道宽度和深度为微米级。

在微流控分析中，通常是在nL级的体积下进行分析，分析时间为秒级。然而，在目前的微流控分析中通常采用间歇式的换样方法，操作步骤繁琐、费时，效率低，严重影响整个系统的分析速度，使得芯片分析速度快的主要优势难以在实际应用中得到充分的发挥。

芯片换样采用流通式试样引入是实现高通量自动换样的一种方法，如方群等(Qun Fang，Guang-Ming Xu，and Zhao-Lun Fang.A High-Throughput Continuous Sample IntroductionInterface for Microfluidic Chip-based Capillary Electrophoresis Systems.AnalyticalChemistry，2002.74：1223-1231)报道的一种用于毛细管电泳芯片上的高通量连续试样引入接口装置，采用了一个贯通芯片两层的垂直于芯片的换样通路，从下方引入试样引流，上方为自动平衡液面的溢流式液槽。Caliper technologies公司发明的滴液式进样(Steven A.Sundberg，J.Wallace Parce，Calvin Y.H.Chow.Microfabricated Structures forFacilitating Fluid Introduction Into Microfluidic Devices.United States Patent No.：US 6,451,188 B1)也属于流通式芯片换样。流通式换样的缺点是试样消耗量较大，为了提高换样速度，不得不加大进样的流速和体积。为了实现常规微流控芯片的自动换样，Calipertechnologies(Joseph E.Kercso，Steven A.Sundberg，Jeffrey A.Wolk，Andrew W.Toth，Calvin Y.H.Chow，Wallace Parce.High Throughput Microfluidic Systems and Methods.United States Patent No.：US 6,495,369 B1)开发了一种高通量进样微流控仪器。采用阵列式多液槽样品盘，通过探针将样品引入芯片通道的进样孔，采用X-Y-Z三维机器手控制进样探针插入指定样品液槽进样。在Caliper technologies的另一项发明中(Anne R.Kopf-Sill，Andrea W.Chow.Optimized High-throughput analytical system.UnitedStates Patent No.：6，511,853B1)，将毛细管与芯片耦合，垂直于芯片与通道相通的毛细管吸液进样，与阵列式样品盘结合，控制也采用了三维机械手。其共同特征是换样操作均需探针或试样盘做三维移动才能实现，其缺点是三维控制机械复杂，体积大，成本高，换样速度慢，分析通量低。

发明内容：

本发明旨在提供一种简单实用的芯片高通量换样系统。通过与芯片通道相连的毛细管探针从单列试样管中引入试样溶液，只需通过一维移动单列试样管即可实现高通量的换样。

本发明的微分析芯片上的高通量连续换样装置，该装置由加工有取样探针的微分析芯片和可移动的试样管阵列组成，其特征在于，将毛细管与芯片微通道耦合连接，构成取样探针，试样管上加工有供芯片取样探针进出的取样缺口，通过两个或两个以上的规则排列的单列试样管阵列相对取样探针，按一定顺序进行一维移动，完成高通量连续换样操作。

根据本发明，主要特征是在进行试样引入的试样管加工有取样缺口。取样缺口加工于试样管管口两侧，或者管壁中部，或者管壁底部。取样缺口宽度大于取样探针外径，范围在10微米至1厘米之间；取样缺口深度范围是1毫米至10厘米。取样缺口处的试样管内全部或者部分充满待引入芯片的液体。由于管壁与管内液体间存在的表面张力使管内的液体存于试样管壁内侧，不能由取样缺口外流或者溢出。选择足够小的缺口宽度，或者合适的试样管管壁材料，有利于使溶液依靠其表面张力停在缺口内侧。

根据本发明，其使用方法如下：在进行换样时，芯片及取样探针保持不动，单列的试样管相对于取样探针进行一维移动，取样探针穿过管壁进入试样管，试样管阵列线性移动，取样探针穿过管壁进入试样管，其进口浸入管内试样液体中，液体被引入取样探针和芯片微通道内，完成取样操作后，试样管继续移动，取样探针穿过管壁脱离该试样管，进入下一个试样管进行取样操作。试样管内试样进入取样探针的驱动力来自重力，或者电动动力，或者其它类型的流体动力。试样管呈水平，或者垂直，或者其它方向放置；更为有利的是，试样管呈水平放置，能保持取样过程中试样管内液面和整体系统液压差的稳定。在多试样管队列中，在两样品溶液管之间加装空白溶液(或缓冲液)试样管，完成前一个样品溶液进样后，经过空白溶液，可清洗进样探针外部残留溶液，可防止两试样管间的交叉污染。

为了实现换样过程的自动化，可以将试样管队列固定在自动移动台上，做较为精确的平移、定位和停止。移动台可以由步进电机，位置反馈装置如光电解码器，以及电脑控制接口组成。移动方式可以包括直线式移动、环形传送带式移动等。通过电脑设定其停留时间和移动速度，即可达到控制自动进样的时间，从而得到基于时间的精确的试样区带。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.换样操作只需试样管阵列做一维移动即可完成，操作简单，实现自动化，操作速度快，可达到很高的换样通量。

2.换样系统结构简单，成本低，体积小，有利于实现系统微型化和集成化。

3.进样量可通过控制移动的时间和频率获得高度重现性。

4.在微分析芯片上实现高通量快速的换样操作，具有广阔的应用前景

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例1的侧视结构示意图。

图2是根据本发明的另一个优选实施例2的侧视侧视结构示意图。

图3是根据本发明的另一个优选实施例3的侧视侧视结构示意图。

图4是根据本发明的另一个优选实施例4的侧视侧视结构示意图

图5是根据本发明的优选实施例1的微流控芯片毛细管电泳连续换样系统的结构示意图。

图6是根据本发明的优选实施例2的装置进行流动注射分析的结果记录图。

具体实施方式

参照附图，以下将详细描述根据本发明的优选实施例。

优选实施例1

图1是根据本发明的一个优选实施例1的侧视结构示意图。微芯片由上1、下2两片组成，封合的上1、下2片之间加工有微通道3网络。采用毛细管与微芯片耦合技术，将毛细管与芯片微通道3耦合连接，构成取样探针4。多个试样管5水平并列放置构成试样管阵列，在试样管5出口处切割出一条范围在10微米至1厘米之间，深度范围是1毫米至10厘米的取样缺口6，试样管5内分别加入不同试样溶液7、8、9。试样加入量应使试样液面10位于取样缺口6的范围内。进行换样操作时，沿指示方向11平移试样管阵列，使取样探针4依次浸入试样管5内的各个试样溶液7，8，9完成换样操作。

图5是根据本发明的优选实施例1的微流控芯片毛细管电泳连续换样系统的结构示意图。毛细管电泳玻璃芯片十字通道构型，通道宽100微米，深20微米。所接取样探针4为50微米内径石英毛细管，长3.5cm。铂电极21与石英毛细管4用一小段塑料套管22固定，塑料套管22同时用于抬高毛细管高度，使得芯片的液池11、12和13液面与试样管列的液面保持一致。11、12和13均为缓冲液。试样管5用200微升的PCR管加工而成，每个试样管口部切割出一条1mm宽2mm深的取样缺口6。多个试样管5水平放置成列。图中试样管内溶液如下：15、17和19为5mM硼砂缓冲液，14为FITC溶液，16、18和20分别为FITC标记的精氨酸、苯丙氨酸和精氨酸与苯丙氨酸的混合溶液。采用此装置实现的简单的芯片毛细管电泳换样操作步骤如下：平移试样管阵列，使取样探针依次置于溶液14，15，16，17，18，19和20。其中，探针4在14，16、18和20试样溶液内停留的时间分别为70秒，在这段时间内十字通道芯片电压置于夹流进样模式。探针4在试样管15、17和19内停留的时间为30秒，十字通道芯片电压置于分离模式。采用此操作实现了四个不同样品的连续换样，换样速度可达到每小时30样以上。

优选实施例2

图2是根据本发明的另一个优选实施例2的侧视侧视结构示意图。微芯片由上1、下2两片组成，封合的上1、下2片间加工有微通道3网络。采用毛细管与微芯片耦合技术，将毛细管与芯片微通道3耦合连接，构成取样探针4。多个试样管5水平并列放置，在试样管底部切割出一条1mm宽2mm深的取样缺口6，试样管5内分别加入不同试样溶液7、8、9。管内试样依靠表面张力使试样液面10局限于试样管内，不会经取样缺口6产生渗漏。进行换样操作时，沿指示方向11平移试样管阵列，使取样探针4依次浸入试样管5内的各个试样溶液7，8，9完成换样操作。

图6是根据本发明的优选实施例2的装置进行流动注射分析的结果记录图。采用优选实施例2的装置实现的简单的流动注射换样操作步骤如下：三个并排试样管内分别为样品溶液6和8，空白溶液7。进样探针在空白溶液7和样品溶液8之间来回移动，在空白溶液7中停留的时间为60秒，在样品溶液8中停留的时间为30秒，重复进样。所得的峰高重现性RSD为0.1％(n＝10)，采用重力，即液位差提供进样动力。图6为该芯片换样系统进行连续换样操作时所得光度检测信号的记录图。

优选实施例3

图3是根据本发明的另一个优选实施例3的侧视侧视结构示意图。微芯片由上1、下2两片组成，封合的上1、下2片间加工有微通道3网络。采用毛细管与微芯片耦合技术，将毛细管与芯片微通道3耦合连接，构成取样探针4。多个试样管5水平放置，沿垂直方向层叠成列。在试样管出口沿垂直方向切割出一条1mm宽2mm深的取样缺口6，试样管5内分别加入不同试样溶液7、8、9。试样加入量应使试样液面10超过取样缺口6的范围内。进行换样操作时，沿指示方向11垂直移动试样管阵列，使取样探针4依次浸入试样管5内的各个试样溶液7，8，9完成换样操作。

优选实施例4

图4是根据本发明的另一个优选实施例4的侧视侧视结构示意图。微芯片由上1、下2两片组成，封合的上1、下2片间加工有微通道3网络。采用毛细管与微芯片耦合技术，将毛细管与芯片微通道3耦合连接，构成取样探针4。多个试样管5竖直放置，并列排列。在试样管侧壁切割出一条1mm宽2mm深的取样缺口6，试样管5内分别加入不同试样溶液7、8、9。试样加入量应使试样液面10超过取样缺口6的范围内。进行换样操作时，沿指示方向11平移试样管列，使取样探针4依次浸入试样管5内的各个试样溶液7，8，9完成换样操作。

Claims (10)

1、一种用于微分析芯片上的高通量连续换样装置，该装置由加工有取样探针的微分析芯片和可移动的试样管阵列组成，微芯片由上(1)、下(2)基片组成，封合的上(1)、下(2)之间加工有微通道(3)网络，其特征在于，将毛细管与芯片微通道(3)耦合连接，构成取样探针(4)，试样管(5)上加工有供芯片取样探针进出的取样缺口(6)，通过两个或两个以上的规则排列的单列试样管阵列相对取样探针，按一定顺序进行一维移动，完成高通量连续换样操作。

2、根据权利要求1所述的连续换样装置，其特征在于，所述取样缺口(6)加工于试样管管口两侧，或管壁中部，或管壁底部。

3、根据权利要求1所述的连续换样装置，其特征在于，所述取样缺口(6)宽度大于取样探针外径，范围在10微米至1厘米之间，取样缺口(6)深度范围是1毫米至10厘米。

4、根据权利要求1所述的连续换样装置，其特征在于，所述试样管阵列呈水平放置，能保持取样过程中试样管内液面和整体系统液压差的稳定。

5、根据权利要求1所述的连续换样装置，其特征在于，所述试样管阵列固定在自动移动台上，做较为精确的平移、定位和停止，移动台由步进电机和位置反馈装置组成。

6、根据权利要求5所述的连续换样装置，其特征在于，移动台移动方式包括直线式移动或环形传送带式移动，通过电脑设定其停留时间和移动速度，即可达到控制自动化。

7、权利要求1所述的连续换样装置的使用方法，其特征在于，在进行换样时，芯片及取样探针保持不动，试样管阵列线性移动，取样探针穿过管壁进入试样管，其进口浸入管内液体中，液体被引入取样探针和芯片微通道内，完成取样操作后，试样管阵列继续移动，取样探针穿过管壁脱离该试样管，进入下一个试样管进行取样操作。

8、根据权利要求7所述的连续换样装置的使用方法，其特征在于，在两试样管之间加装空白试样管，防止试样的交叉污染。

9、根据权利要求7所述的连续换样装置的使用方法，其特征在于，试样管内试样进入取样探针的驱动力来自重力，或者电动动力。

10、根据权利要求7所述的连续换样装置的使用方法，其特征在于，取样缺口处的试样管内全部或者部分充满待引入芯片的液体，利用管壁与管内液体间的表面张力使管内的液体存于试样管壁内侧，不能由取样缺口外流或者溢出。

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