CN102023146A

CN102023146A - 一种光学检测的电泳芯片及其电泳装置

Info

Publication number: CN102023146A
Application number: CN 201010295160
Authority: CN
Inventors: 倪一; 程抒一; 窦晓鸣
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明是一种用于光学检测的毛细管电泳芯片，以及具有该电泳芯片的电泳装置。芯片由两片基板组合而成，基板材料是光学透明的高聚物。在基板A上制作有电泳分离微结构和光学微结构。光学微结构是制作于电泳分离通道侧面的反射面，可将检测光束反射向分离通道，从分离通道的侧面入射，激发样品的荧光。在垂直于基板表面，即与检测光束垂直的方向检测荧光，减少了激发光的干扰。另一片基板B作为盖板覆盖在基板A上。电泳装置包含电泳芯片、高压模块、光源模块、激发光学模块、收集光学模块、滤光片、光电检测器、数据接收模块、处理和控制模块。本发明通过在芯片上制作光学微结构，结合电泳装置可用于高灵敏度的光学检测。芯片上的光学微结构和分离微结构可以在同一个制作步骤中完成，便于简化工艺、降低成本、批量生产。

Description

一种光学检测的电泳芯片及其电泳装置

技术领域

本发明涉及电泳系统的微型化，特别是一种光学检测的电泳芯片及其电泳装置。

背景技术

毛细管电泳是一种重要的分离检测技术。毛细管电泳结合筛分介质对于生物大分子，如DNA和蛋白质具有良好的分离能力，这是现代生命科学研究的重要基础之一。伴随着生命科学等领域的不断发展，对于毛细管电泳的应用需求也不断增加。其应用范围正从单纯的学术研究领域向着更多的实用领域扩展。相应的，对于毛细管电泳系统的要求也从通用型、研究型向着常规化或临床化、小型化或微型化以及专用细化等方向扩展。毛细管电泳芯片(或称为微流控芯片)正是契合这一趋势的一个新兴发展方向。在尺度为几个厘米的芯片基板上制作出宽度为微米量级的分离微通道，在微通道内进行电泳分离，不仅使样品和试剂的消耗减少到微升乃至纳升的量级，更给毛细管电泳的分离效率带来一次重大飞跃，分离时间可从几十分钟缩短到几分钟，甚至以秒为单位。毛细管电泳芯片还具有组成集成化“芯片实验室”的潜力。目前，制作电泳芯片的材料一般有硅、普通玻璃、优质石英以及有机高聚物等。其中，采用有机高聚物材料可以通过注塑、印模和浇铸等方式制作芯片，特别适合于批量生产。对于推动毛细管电泳的大规模、低成本应用，有着独特的优势。

在毛细管电泳的各种检测技术中，诱导荧光检测是灵敏度最高的方式之一，特别适合生物大分子的检测。共焦诱导荧光检测系统可以很容易地从传统毛细管电泳系统移植到电泳芯片的检测上，而不会降低检测效率，例如图1所示。但是，因为需要传导激发光和收集检测荧光，其光学系统相对复杂，不利于系统的小型化和低成本。有报道(如中国专利：公开号CN101013083A，公开号CN1963488A)采用光纤来简化光路。激发光通过光纤传导，从分离通道的侧面照射，在90°方向检测荧光，有利于减小激发光干扰。但是，在芯片上结合光纤提高了制作过程的复杂性和难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学检测的电泳芯片及其电泳装置，该芯片及其装置可以用于高灵敏度诱导荧光检测，却避免了传统诱导荧光检测的较复杂的光学系统，有利于减小电泳装置的体积和重量。其中的电泳芯片有助于简化生产工艺，可以适合于批量生产。本发明对于毛细管电泳的大规模、低成本应用有着广阔前景。

本发明提出的电泳芯片由两片基板A和B组合而成。基板A上制作有微结构，用于电泳分离和光学检测。用于电泳分离的微结构与一般的电泳芯片一样，包括分离通道和与之交叉(包括十字交叉结构或双T结构等)的进样通道。分离通道的两端以及进样通道的两端都制作有小池，分别用作缓冲液池、缓冲废液池、样品池和样品废液池。小池的位置也是制作分离和进样电极的位置。通过对电极上的电压的控制，实现电场驱动的进样和分离过程。

为实现上述发明目的，本发明是这样实现的。

一种光学检测的电泳芯片，由两片基板A、B组合而成；其中，基板A上制作有用于电泳分离和光学检测的微结构，它包括分离通道和与之交叉的进样通道；所述的分离通道的两端以及进样通道的两端都制作有小池，分别用作缓冲液池、缓冲废液池、样品池和样品废液池，小池的位置也是制作分离和进样电极的位置，通过对电极上的电压的控制，实现电场驱动的进样和分离过程；其特征在于：所述的基板A、B材料为有机高聚物，并且具有一定的机械性能和较好的光学透过性，以便进行光学检测；所述的具有微结构的基板A上具有一反射面，反射面位于分离通道检测位置的侧面，可使激发光束在反射面上发生全反射，或者通过在反射面上镀膜形成反射；经过反射面的反射，激发光束从分离通道的侧面入射，激发样品的荧光。

所述的光学检测的电泳芯片，其特征在于：所述的分离通道与进样通道之间的交叉结构包括十字交叉结构或双T结构。

一种光学检测的电泳装置，其特征在于：它包括高压模块、光源、激发光学系统、收集光学系统、滤光片、光电检测器、数据接收模块、处理和控制模块以及如上所述地电泳芯片；所述的高压模块为进样和分离过程提供电场驱动；所述的光源为小型的单色或接近单色的光；所述的激发光经过激发光学系统，被准直或会聚，以面向电泳芯片的方向入射；所述的激发光束在电泳芯片的光学微结构上发生反射，从电泳芯片的分离通道的侧面入射，激发荧光；在面向电泳芯片的方向用收集光学系统收集并会聚荧光，由光电检测器转换为电信号，数据接收模块接收电信号并转换为易于传输存储的数字信号；处理和控制模块负责数据的传输、处理、存储、显示功能，以及装置中模块的工作控制。

附图说明

图1是传统共焦荧光系统的光路示意图。其中，1-光电检测器；2-针孔；3-会聚透镜；4-滤光片；5-分束器；6-聚焦透镜；7-电泳芯片；8-准直透镜；9-激发光源。

图2是本发明电泳芯片一种具体方案的俯视图。其中，10-基板A；11-样品废液池；12-进样通道；13-分离通道；14-检测位置；15-缓冲废液池；16-反射面(宽度较小)；17-样品池；18-缓冲液池。

图3是本发明电泳芯片一种具体方案的俯视图。其中，19-反射面(宽度较大)。

图4.是本发明电泳芯片一种具体方案的截面图。其中，20-盖板B；21-荧光；22-激发光束；23-经由反射面反射的激发光束。

图5是本发明电泳芯片一种具体方案的截面图。

图6是本发明电泳芯片一种具体方案的截面图。

图7是本发明具有电泳芯片的电泳装置构成示意图。其中，24-高压模块；25-光源；26-激发光学系统；27-电泳芯片；28-收集光学系统；29-滤光片；30-光电检测器；31-数据接收模块；32-处理和控制模块。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

采用有机高聚物作为电泳芯片的基板材料，要求材料有一定的机械性能和化学惰性。为了满足光学检测的需要，材料在可见(以及近红外)波段应有较好的光学透过性。常见的符合以上要求的材料例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。可以通过注塑、印模和浇铸等方式制作电泳芯片。

电泳芯片上的分离微结构与一般的电泳芯片一样，如图2和图3的俯视图。分离微结构主要包括分离通道13和与之交叉(包括十字交叉结构或双T结构等，图2和图3中所示均为十字交叉结构)的进样通道12。分离通道13的两端以及进样通道12的两端都制作有小池，分别用作缓冲液池18、缓冲废液池15、样品池17和样品废液池11。小池11、15、17和18的位置也是制作分离和进样电极的位置。用于光学检测的微结构是一条位于分离通道13的侧面，对着检测位置14，垂直于分离通道13的凹槽(见图2的16，或图3的19)。其截面如图4所示，图中细斜线填充的部分是有机高聚物材料，白色部分则是在基板A上制作出的微结构。凹槽靠近分离通道13的端面做成一个平面，该平面与基板表面成一个合理的角度，例如45°。激发光束以面向于芯片表面的方向入射，当平面16(19)的角度是45°时，推荐激发光束以垂直方向入射，如图4中的激发光束22所示。激发光束进入到基板材料后，在平面16(19)处，平面两侧的介质分别是有机高聚物和空气，光束22从折射率较高的高聚物材料射向折射率较低的空气。按照全反射条件，以45°射向平面时，高聚物材料的折射率大于1.41即发生全反射。PMMA和PDMS的折射率分别是1.49和1.45，均满足条件。因此，平面16(19)成为一个反射面，使得激发光束23从分离通道13的侧面射入，激发荧光。如果不利用全反射，或者未能满足全反射条件，也可以在平面16(19)上镀膜来形成反射面。荧光发射的方向应为全空间角，而图4(以及图5图6)中仅作出部分光线加以示意。在垂直于芯片表面的方向收集检测荧光。由于此方向垂直于激发光束23，因此大大减少了直接进入检测器的激发光，减小了干扰。采用此实施方案可以实现高灵敏度的诱导荧光检测，却不需要使用如图1那样的复杂的光路。形成反射面的凹槽结构与用于分离的通道结构可以在同一个制作步骤中完成，便于简化工艺，降低成本，有利于规模生产。

图5是另一个具体芯片方案的截面图。不是把一个凹槽的端面做成反射面，而是制作出一整个反射面。这相当于将图4中凹槽的深度加深，使之贯穿基板。芯片的其他部分，及其工作原理与图4的例子相同。

图6也是一个具体芯片方案的截面图。反射面与基板A上表面的角度做成135°而不是45°。激发光束从芯片上方垂直入射，首先穿过上方的盖板，然后再入射到下方基板的反射面上，由全反射或镀膜的反射面使光束转向，从侧面射入分离通道，激发荧光。芯片的其他部分与图4的例子相同。

图7所示是具有电泳芯片的电泳装置构成示意图。高压模块24与电泳芯片27上的电极相连，提供进样和分离过程的电场驱动。光源25采用小型的单色(或接近单色)光源，例如高亮度发光二极管或半导体激光，以减小整个装置的体积和重量。激发光学系统26可以由透镜、透镜组或反射镜构成，将光源发出的光进行准直或会聚。激发光束垂直入射到电泳芯片27中，由电泳芯片上的光学微结构反射(参照电泳芯片的说明以及各实施例)，使激发光束从分离通道的侧面入射，激发样品的荧光。荧光通过收集光学系统28收集并会聚。由于收集光学系统28的光轴与电泳芯片27中的激发光束是垂直的，所以减少了被收集的激发光。滤光片29进一步滤除掺杂在荧光中的激发光后，照射到光电检测器30。光电检测器30将光信号转换为电信号，并由数据接收模块31接收并转换为易于传输和存储的数字信号。处理和控制模块32负责数据的传输、处理、存储、显示等功能，并控制装置中模块24、25、30和31的工作。图7所示的例子中，将光源25和激发光学系统26布置在电泳芯片27的上方，而将收集光学系统28布置在电泳芯片27的下方。这仅是实现本发明的一个具体方案，并不表示本发明提出的电泳装置的结构限定于此。例如，通过选择不同的电泳芯片方案(如图4、图5所示)或者将如图6的电泳芯片翻转，可以实现光源25和激发光学系统26处于下方而收集光学系统28处于上方的布置方式。或者，当激发光学系统26和收集光学系统28的体积允许的情况下，可以将两者布置在电泳芯片27的同侧而不是两侧。又或者，可以将电泳芯片27竖直放置，从而将激发光学系统26和收集光学系统28及其它模块布置在电泳芯片27的左右两侧。

另外，形成反射面的凹槽在沿着分离通道方向的宽度可以做的很窄，如图2的16所示意的，也可以做的较宽，如图3的19。采用较窄的反射面，例如可以将反射面的宽度做到与分离通道宽度有相同量级，可以降低对光源和激发光学系统的准直会聚的要求，因为超出反射面的光束部分不会被反射入分离通道。而采用较宽的反射面，对激发光束的准直会聚要求相对较高，其优点则是可以在反射面宽度的范围内按需要调节检测点的位置。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims

1.一种光学检测的电泳芯片，由两片基板A、B组合而成；其中，基板A上制作有用于电泳分离和光学检测的微结构，它包括分离通道和与之交叉的进样通道；所述的分离通道的两端以及进样通道的两端都制作有小池，分别用作缓冲液池、缓冲废液池、样品池和样品废液池，小池的位置也是制作分离和进样电极的位置，通过对电极上的电压的控制，实现电场驱动的进样和分离过程；其特征在于：所述的基板A、B材料为有机高聚物，并且具有一定的机械性能和较好的光学透过性，以便进行光学检测；所述的具有微结构的基板A上具有一反射面，反射面位于分离通道检测位置的侧面，可使激发光束在反射面上发生全反射，或者通过在反射面上镀膜形成反射；经过反射面的反射，激发光束从分离通道的侧面入射，激发样品的荧光。

2.根据权利要求1所述的光学检测的电泳芯片，其特征在于：所述的分离通道与进样通道之间的交叉结构包括十字交叉结构或双T结构。

3.一种光学检测的电泳装置，其特征在于：它包括高压模块、光源、激发光学系统、收集光学系统、滤光片、光电检测器、数据接收模块、处理和控制模块以及如权利要求1或2所述地电泳芯片；所述的高压模块为进样和分离过程提供电场驱动；所述的光源为小型的单色或接近单色的光；所述的激发光经过激发光学系统，被准直或会聚，以面向电泳芯片的方向入射；所述的激发光束在电泳芯片的光学微结构上发生反射，从电泳芯片的分离通道的侧面入射，激发荧光；在面向电泳芯片的方向用收集光学系统收集并会聚荧光，由光电检测器转换为电信号，数据接收模块接收电信号并转换为易于传输存储的数字信号；处理和控制模块负责数据的传输、处理、存储、显示功能，以及装置中模块的工作控制。