CN100498272C - 自动液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能自动进行液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置及其使用方法，该装置由带有一体化探针的微流控毛细管电泳芯片、试样管阵列自动液体更换系统、高压电源和检测系统四部分组成。在分析过程中，一体化探针和电极通过试样管缺口浸入试样管内溶液中一定时间，在高电压驱动下，试样管中的溶液经过一体化探针进入芯片微通道内，完成电泳进样、分离和检测操作。本发明的优点是系统结构简单、集成化程度高、换样速度快、试样消耗量低，易于实现自动化。
Description
技术领域
本发明涉及的领域为微流控芯片分析领域，特别是涉及一种能自动进行液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置及其使用方法。
背景技术
微全分析系统(micro total analysis system，μTAS)是当前分析化学的学术前沿之一，而以毛细管电泳为技术核心、以微流控芯片为操作平台的微流控芯片毛细管电泳则是μTAS的主流研究领域之一。微型化的芯片毛细管电泳显著地改善了分离分析的速度。然而不同试样间的测定通常采用间歇式的换样方法，操作步骤繁琐、费时、效率低，换样时间远远超过分析时间，严重影响了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。
流通式试样引入是实现高通量连续分析的一种方法，其特征是在芯片分析通道旁边加工与其相连的专用的试样引入通道，外界试样进入试样引入通道后，大部分试样从试样引入通道的出口流走，极少部分试样经分流进入芯片分析通道进行分离分析。因此，流通式试样引入的缺点是系统复杂、试样消耗量大。有人提出了探针式试样引入技术。如，Zhang等(ZhangB L，Foret F，Karger B L.High-Throughput Microfabricated CE/ESI-MS：Automated Samplingfrom a Microwell Plate，Anal.Chem.，2001，73：2675～2681)利用化学刻蚀方法，在芯片分析通道末端加工形成直径为390μm的圆形引导通道，将一段1.5cm长的石英毛细管(200-μm内径，375-μm外径)插入引导通道内，并用一滴硅密封剂固定，以此作为毛细管取样探针。何巧红等(He Q H，Du W B，Fang Q，Huang Y Z，Fang Z L.An automated electrokinetic continuoussample introduction system for microfluidic chip-based capillary electrophoresis，Analyst，2005，130：1052～1058)采用芯片与毛细管的耦合技术，在芯片充样通道一端耦合一段石英毛细管作为外界试样的取样探针。以上两种方法尽管节约了试样消耗量，但是探针加工难度大。Wang等(Wang J，Siangproh W，Thongnamdee S，Chailapakul O.Fast and simple sample introduction forcapillary electrophoresis Microsystems，Analyst，2005，130：1390～1394)提出了在芯片上直接原位加工方柱形取样探针，利用电驱动实现手工换样。
现有微流控芯片毛细管电泳分析技术集成化程度不夠高，对不同试样间的自动快速的更换困难，试样消耗量较高。
发明内容
本发明旨在提供一种自动进行液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置及其使用方法。本发明的目的之一是实现不同试样间的自动快速的更换；本发明的目的之二是系统不仅能够连续地更换试样溶液，而且也能连续更换其它溶液，实现复杂试样的梯度电泳分离或快速地优化分离体系。
为达到上述发明目的，本发明提供了一种能自动进行液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置。所述的装置由带有一体化探针的微流控毛细管电泳芯片、试样管阵列自动液体更换系统、高压电源和检测系统四部分组成，其特征是，带有一体化探针的微流控毛细管电泳芯片具有一个或多个探针进行液体更换；试样管阵列液体更换系统由两个以上的试样管构成的阵列和试样管平台组成，试样管固定于试样管平台上；探针尖端与试样管阵列液体更换系统的试样管内的液体相连通，液流驱动采用电动驱动，采用高压电源提供驱动液体更换和电泳分离。
一体化探针式芯片是系统的主体部分，其特征是在十字构形的玻璃微流控芯片上直接原位加工一个或多个的取样探针，探针入口端的外径小于500微米(与常用的石英毛细管外径相当)。
根据本发明，所述的微流控毛细管电泳芯片(1)至少由上(2)、下(3)两片组成，在上片(2)或下片(3)加工微通道，将上片(2)和下片(3)封合，形成封闭的微通道；微通道的宽度范围为1—500微米，深度范围为0.1—200微米。典型的进行毛细管电泳操作的微流控芯片通常采用十字通道构型。
在所需要的位于芯片侧壁的微通道入口或者出口末端处，加工芯片一体化探针。玻璃和石英基质的芯片一体化探针的加工方法参考专利(何巧红，方群，一体化探针式微流控芯片及制备方法，中国发明专利申请号：200610050452.60，2006.04.21)进行。高分子材料的微流控芯片的芯片一体化探针采用金属刀具或者剪刀直接切割或者剪切的方法加工。无论采用何种方法加工，最终完成加工的芯片一体化探针的尖端外径应小于500微米，以便使探针方便的经过试样管缺口完成液体更换。
根据本发明，当芯片采用玻璃或者石英材料时，探针尖端和电极必须与试样管内试样或者其它溶液接触，为了避免试样管中的溶液沿亲水的玻璃探针外表面扩散，引起试样消耗量增加，甚至可能使芯片表面处于潮湿状态，引起系统漏电现象，应对探针的外表面进行疏水性处理。具体方法包括在取样探针外表面涂敷环氧树脂涂层的方法，或者采用对探针的外表面进行硅烷化处理的方法。
根据本发明，在不需要加工芯片一体化探针的芯片微通道入口或者出口处，加工贮液池。方法是在微流控芯片的侧壁，围绕微通道入口或者出口水平地固定一个塑料管作为贮液池。贮液池长度范围为5-100毫米，内径范围为1-10毫米。在微流控芯片毛细管电泳分析中，由于液面高度的不一致往往溶液引起压力流，影响试样引入和电泳分离。采用水平贮液池的目的是保证在较长的工作时间内，电泳分析系统的各贮液池内液位的稳定。
缺口型试样管阵列液体引入系统的加工和使用参考专利(方群，杜文斌，何巧红，微分析芯片的高通连续换样装置及其使用方法，中国发明专利申请号200410016224.8)。试样管阵列液体引入系统由两个以上的试样管构成的阵列和试样管平台组成，试样管水平固定于试样管平台上，在每个试样管的管壁上加工一个宽度范围在100微米至3毫米，深度范围在1毫米至5毫米的缺口。
根据本发明，液流驱动采用电动驱动，高压电源提供0—±10000V的供液流驱动和电泳分离的高电压。在所述的微流控毛细管电泳芯片中，芯片一体化探针与导电用电极固定为一体，探针和电极尖端能同时经过试样管缺口与试样管内液体相连通和相接触。电极通常采用铂丝加工，电极直径范围0.1—1毫米。
根据本发明，芯片毛细管电泳装置中使用的检测器包括荧光检测器、紫外—可见吸收光度检测器、化学发光检测器、电化学检测器和质谱检测器等。
根据本发明，能自动进行液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置的使用方法是，在分析过程中，一体化探针和电极通过试样管缺口浸入试样管内溶液中一定时间，在高电压驱动下，试样管中的溶液经过一体化探针进入芯片微通道内，完成电泳进样、分离和检测操作。当需要进行液体更换时，微流控芯片位置保持不变，线性移动试样管阵列，带动其上的多个试样管按一定顺序依次与一体化探针接触，向芯片微通道内引入不同组成的试样或者缓冲液，完成不同试样或者不同缓冲液条件的自动毛细管电泳分析。在微流控毛细管电泳芯片上，需要更换的液体种类包括不同的试样溶液，或者不同组成与浓度的电泳工作缓冲液，或者不同的反应试剂溶液。
根据本发明，探针和电极通过试样管缺口浸入试样管内溶液中时间为，0.1-2000秒。电泳进样电压范围为0—±10000V，电泳分离电压范围为0—±10000V。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、探针式微流控芯片系统结构简单、集成化程度高；
2、系统换样速度快，试样消耗量低，达到纳升级水平；
3、采用水平式储液管，以保持分析过程中液位的恒定。
4、系统不仅可连续快速更换试样溶液，同时也能连续更换其他所有的试剂溶液，具有很强的通用性。
本发明实现不同试样间的自动快速的更换、复杂试样的梯度电泳分离，或快速地优化分离。
附图说明
图1是根据本发明优选实例一的自动试样更换微流控芯片毛细管电泳分析装置结构示意图。
图2是应用本发明优选实例一的装置进行不同氨基酸试样连续分离的电泳图。
图3是根据本发明优选实例二的微流控芯片梯度毛细管电泳分析装置结构示意图。
图4是应用本发明及优选实例二的装置进行混合氨基酸试样梯度毛细管电泳分离的电泳图。
图5是根据本发明优选实例三的可自动更换所有溶液的微流控毛细管电泳芯片结构示意图。
具体实施方式
实施例一：
图1(a)是根据本发明优选实例一的自动试样更换微流控芯片毛细管电泳分析装置结构示意图。系统由带有一个取样探针的微流控玻璃毛细管电泳芯片、缺口型试样管阵列自动液体更换系统、供液流驱动和电泳分离的高压电源及激光诱导荧光检测器四部分组成。图1(b)是取样探针部分的放大示意图。
微流控芯片1由玻璃刻蚀上片2和玻璃盖片3组成，经过高温封接形成。刻蚀片中加工有十字交叉的微通道网络，包括充样通道4和分离通道5。在充样通道4的一端通过侧面钻磨技术原位加工芯片一体化取样探针6。取样探针6尖端外径小于0.4毫米，外表面涂敷10-500微米厚的环氧树脂液体胶(探针尖端的入口处1～2毫米附近除外)，环氧树脂固化后形成环氧树脂涂层25，使探针表面呈疏水性(图1(b)所示)。在芯片侧面围绕微通道出口水平固定三个塑料管作为贮液池(7、8和9)，贮液池长度为10-20毫米，内径为3-5毫米。贮液池上方加工有两个直径约1毫米的小孔，分别作为电极插入孔和气压平衡孔。实际测定时，三个贮液池内分别加入100—200微升5mM硼砂缓冲溶液，其进口用塞子封闭，以减少贮液池内溶液的蒸发。一根Pt丝电极10与取样探针6用一小段塑料套管14固定，三根Pt电极11、12、13分别浸入贮液池内的缓冲溶液中，Pt丝电极直径为0.5毫米。多个缺口17型试样管19—24水平固定于可一维自动移动的试样管平台16上。两试样管之间加装缓冲溶液，即试样管19、21、23中装有0.2毫升的5mM硼砂缓冲溶液，20、22、24管中装有20微升的试样溶液。
采用此装置实现不同试样的自动换样电泳分离分析操作步骤如下：按照图中所示的方向18平移试样管，使取样探针6和电极10依次经过试样管缺口进入试样管19-24中。其中，取样探针6和电极10在20、22、24试样管内试样溶液中停留的时间分别为10秒，在这段时间内十字通道芯片电压采用夹流进样模式(进样场强为1500V/cm)，试样管中的试样进入充样通道4，并且充满整个通道4；取样探针6和电极10在19、21、23试样管内缓冲溶液中停留的时间分别为80秒，在这段时间内十字通道芯片电压置于分离模式(分离场强为450V/cm)，十字交叉口的试样带进入分离通道5进行电泳分离。采用激光诱导荧光检测器15检测电泳分离后的试样，检测点位于分离通道5下游距十字交叉口2.5厘米处。
图2是应用本发明优选实例一的装置进行不同氨基酸试样连续分离的电泳图。连续不间断地引入6个异硫氰酸荧光素(FITC)标记的氨基酸试样，进行电泳分离分析，其中S1～S6分别为FITC溶液、FITC标记的精氨酸(Arg)溶液、FITC标记的苯丙氨酸(Phe)溶液、FITC标记的甘氨酸(Gly)溶液、FITC标记的Arg和Phe的混合物、以及FITC标记的Arg、Phe和Gly的混合物。系统分析速度达到每小时45样，消耗试样量为30纳升。
实施例二：
图3是根据本发明优选实例二的微流控芯片梯度毛细管电泳分析装置结构示意图。系统由带有两个取样探针的微流控玻璃毛细管电泳芯片、缺口型试样管阵列自动液体更换系统、供液流驱动和电泳分离的高压电源及激光诱导荧光检测器四部分组成。
微流控芯片1由玻璃刻蚀上片2和玻璃下片3组成，经过高温封接形成。刻蚀片中加工有十字交叉的微通道网络，包括充样通道4和分离通道5。在充样通道4的进口端和分离通道5的进口端分别通过侧面钻磨技术原位加工取样探针6和取液探针26。取样和取液探针尖端外径小于0.4毫米，外表面涂敷10-100微米厚的环氧树脂液体胶(探针尖端的入口处1～2毫米附近除外)，固化后形成环氧树脂涂层使探针表面呈疏水性。在芯片侧面围绕微通道出口水平固定两个塑料管作为贮液池(8和9)，贮液池长度为10-20毫米，内径为3-5毫米。贮液池上方加工有两个直径约1毫米的小孔，分别作为电极插入孔和气压平衡孔。实际测定时，两个贮液池内分别加入100—200微升5mM硼砂缓冲溶液，其进口用塞子封闭，以减少贮液池内溶液的蒸发。两根Pt丝电极10和11分别与取样探针6和取液探针26用一小段塑料套管14固定，另外两根Pt电极12、13分别浸入贮液池内的缓冲溶液中，Pt丝电极直径为0.5毫米。多个缺口17型试样管分别水平固定于可一维自动移动的试样管平台16和27上。按照图3所示的方向平移试样管阵列，使取样探针6和取液探针26以及电极10和11置于不同试样管的溶液中。采用激光诱导荧光检测器15，检测点位于分离通道5下游距十字交叉口2.5厘米处。
采用此装置实现梯度微流控芯片毛细管电泳分析操作步骤如下：图中贮液池内的装有缓冲溶液A(pH10.3、10mM Na2B4O7-10mM Tris)。两个缺口型试样管28、29水平固定于试样管平台16上，分别装有0.2毫升缓冲溶液A和20微升FITC标记的氨基酸混合液；另外两个缺口型试样管30、31水平置于试样管平台27上，分别装有0.2毫升缓冲溶液A和缓冲溶液B(pH10.3、10mM Na2B4O7-10mM Tris-10％乙醇)。分别按照图3所示的方向平移试样管，取样探针6和电极10置于试样管29的氨基酸混合液中，取液探针26和电极11置于试样管30的缓冲溶液A中，停留时间为40秒，在这段时间内，十字通道芯片电压置于夹流进样模式，试样管29中的试样溶液进入充样通道4，并且充满整个充样通道4。完成充样过程后开始电泳分离，电压切换至分离模式，先同时平移自动移动台16和27，使取样探针6和电极10置于管28的缓冲溶液A中、取样探针26和电极11置于管31的缓冲溶液B中。分离90秒后，再移动自动移动台27，使取样探针26和电极11置于管30缓冲溶液A中，继续分离3分钟。利用此系统，有效地分离了7种FITC标记的氨基酸，图4是应用该系统进行多组分氨基酸混合试样梯度电泳分析谱图。图中施加的引样和分离电场分别为1500和450V/cm，有效分离长度为2.5厘米，试样包括：a-精氨酸、b-赖氨酸、c-FITC、d-苯丙氨酸、e-甘氨酸、f-丙氨酸、g-谷氨酸、h-天冬氨酸。
实施例三：
图5是根据本发明优选实例三的可自动更换所有溶液的微流控毛细管电泳芯片结构示意图。微流控芯片1由玻璃刻蚀上片2和玻璃下片3组成，经过高温封接形成。刻蚀片中加工有十字交叉的通道网络，包括充样通道4和分离通道5。在充样通道4和分离通道5的两端分别通过侧面钻磨技术原位加工取样探针6、取液探针26、换液探针32和33。探针尖端外径均小于0.4毫米。采用该芯片，结合试样管阵列自动液体更换系统，可以自动连续地更换试样溶液，缓冲液以及其它所有废液缓冲液。
Claims (6)
1、一种自动液体更换的微流控芯片毛细管电泳分析装置，该装置由带有一体化探针的微流控毛细管电泳芯片、试样管阵列自动液体更换系统、高压电源和检测系统四部分组成，其特征是：所述微流控毛细管电泳芯片至少由上片、下片两片组成，在上片或下片加工微通道，将上片和下片封合，形成封闭的微通道，包括充样通道和分离通道；带有一体化探针的微流控毛细管电泳芯片具有一个或多个探针进行液体更换；探针位于芯片侧壁的微通道入口或出口末端处，探针尖端外径小于500微米；在没有探针的微流控芯片的侧壁，围绕微通道入口或者出口水平地固定一个塑料管作为贮液池；试样管阵列液体更换系统由两个以上的试样管构成的阵列和试样管平台组成，试样管固定于试样管平台上；在每个试样管的管壁上具有一个缺口；探针尖端与试样管阵列液体更换系统的试样管内的液体相连通，液流驱动为电动驱动，高压电源提供驱动液体更换和电泳分离液体所需的高电压。
2、根据权利要求1所述的毛细管电泳分析装置，其特征在于，采用在取样探针外表面涂敷环氧树脂涂层的方法，或者对探针的外表面进行硅烷化处理的方法，对探针的外表面进行疏水性处理。
3、根据权利要求2所述的毛细管电泳分析装置，其特征在于，在取样探针外表面涂敷环氧树脂涂层的方法，所述环氧树脂的厚度范围为10-500微米。
4、根据权利要求1所述的毛细管电泳分析装置，其特征在于所述水平固定的塑料管贮液池，长度范围为5-100毫米，内径范围为1-10毫米。
5、根据权利要求1所述的毛细管电泳分析装置，其特征在于，所述试样管的缺口宽度范围在100微米至3毫米，深度范围在1毫米至5毫米。
6、根据权利要求1所述的毛细管电泳分析装置，其特征在于，微流控毛细管电泳芯片的探针与导电用电极固定为一体，探针和电极尖端能同时经过试样管缺口与试样管内液体相连通和相接触。
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