CN102507708A - 一种芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置 - Google Patents

Abstract

一种芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置，采用双层芯片结构，首次实现了在芯片上三电极薄层电化学池与微流控毛细管通道的组装，将薄层室、辅助电极室、参比电极室、微流控进样通道、缓冲液池和电极引线集成在一块35mm×25mm×6mm的芯片上，实现与毛细管电泳仪的联用及反应产物的在线分离检测。薄层池产生μL级的样品量，单次进样量为nL级，可在电化学反应过程中连续多次在线进样后一次分离。装置结构合理，操作易控，电极拆装和更换方便，工作电极材料可选。本发明可以应用于对复杂电极反应动力学研究及相关应用领域的测试。

Description

一种芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置

一、技术领域

本发明涉及分析化学和电化学领域，具体地说是一种芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置。

二、背景技术

复杂的电化学反应，尤其是带有多个电活性基团的有机物的电氧化或电还原，通常产生多种产物及中间体。对这种复杂反应体系进行各产物的分离检测是电极反应机理、动力学研究及相关应用开发所必须的。国内外对电解产物进行分离的方法主要有高效液相色谱(A.Sakalis，D.

M.

P.Jandera，A.Voulgaropoulos，Chemosphere；2007，67，1940)，气相色谱(A.Zhou，S.Kikandi，O.A.Sadik，Electrochem.Commun.，2007，9，2246)和薄层色谱(Electrochim Acta；Iwakura C，M.Tsunaga，Tamura H；1972，17，1391)等。电解液体积一般取10-100mL，即使采用了大面积电极，整体电解时间也一般长达数小时。长时间电解带来一系列问题，包括反应产物的吸附严重钝化电极表面、电活性中间体信息丢失、反应过程受环境因素的干扰较严重等。可见，实现反应物的快速转化及产物的在线分离检测是有机及生物电化学研究的迫切需要。为此，较早期国内外曾有用汞薄层电极或进样阀电化学池制备电解产物供在线气相色谱分离检测。申请人前期在薄层光谱电化学池的基础上增设了毛细管接口通道，制作了一种带毛细管接口的薄层长光程光谱电化学池并申请了中国专利(申请号：200910144971.2)，使之具备原位光谱电化学测试和产生微量电解样品供毛细管电泳分离检测的双重功能。

毛细管电泳的一大优势是易于芯片化，在方寸芯片上与其它单元如储液池、微混合反应池、微通道网络与分离通道等灵活组合、规模集成。同样，易与微加工兼容的电化学测试技术，如安培法、电化学发光法、电化学酶联免疫测定法等，近年来被国内外学者用于毛细管电泳柱后检测(如中国专利01128402；02116453.3；03145053；200410041174；200410014599等)，这些进展体现了电解池系统易于微型化和集成化的优势。如今毛细管电泳及微流控毛细管电泳已从单纯样品分析拓展到分子间相互作用，用于研究化学反应和酶反应的动力学、小分子与生物大分子的动态作用以及细胞研究等。相关实验是基于微混合、微反应技术而开展的。目前微流控芯片上的“混合反应”这一单元操作已实现有机反应、酶反应、PCR反应及免疫反应等类型，但迄今还未见电化学反应这种类型的报道，这与需构建结构较为复杂的快速微电解池有关。

三、发明内容

本发明针对复杂电化学反应研究的需要，提供一种芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置，旨在实现电化学复杂反应产物的在线快速分离检测。所要解决的技术问题是将三电极电化学池和毛细管在线进样集约化、微型化。

本发明的思路是将薄层电解室、辅助电极室、参比电极室、缓冲液池、微流控通道和电极引线集成在一块以盖片和基片构成的芯片上，可以方便地调节微流控通道内的毛细管的位置，以分别实现毛细管电泳在线进样和毛细管电泳分离。

本发明的技术方案包括芯片和芯片上集成的三电极电化学池和毛细管进样机构，与现有技术的区别是所述的芯片由相对较薄的盖片1和相对较厚的基片11所构成，在盖片1上设置四片电极导流铜片7，同时在盖片1的中心位置开有矩形或正方形通孔，由嵌入该孔的薄片状工作电极、垫片13和基片11上对应通孔位置的表面构成薄层电解室16，一根工作电极引线3连接工作电极和一片铜片7，工作电极由背板2和电极片14组成，在盖片1上还开有四只注液孔6、8、8和9，依次分别与缓冲液池17、两辅助电极室20和参比电极室18连通；在基片11上设置缓冲液池17，池内置入一根铂丝电泳电极19，同时在基片11上设置通道式的参比电极室18，通道(即参比电极室18)的一端与薄层电解室16连通，一根Ag/AgCl参比电极22的一端与一片铜片7连接，在基片11上还设置两个长方形凹槽式辅助电极室20，两个辅助电极室位于薄层电解室16外对称的两侧，一根铂丝辅助电极21串联两辅助电极室20，其一端与一片铜片7连接。

所述的毛细管进样机构是在盖片1和基片11接触界面的轴线方向上固定一条与芯片基本等长的微流控通道12(下称通道12)，在通道12上开有试样进口15和缓冲液进口24分别与薄层电解室16和缓冲液池17相连通，在通道12内置放一根相对较短的毛细棒5(下称棒5)和一根相对较长的分离毛细管10(下称管10)，管10的末端连接在电泳仪检测池上，棒5和管10的外径与通道12的内径相配合且可在通道12内左右滑动(位移)，棒5上固定有限位套4，其作用是当棒5向内位移至最大行程时其端面位于试样进口15处但并不封堵该进口15，管10上也固定有限位套23，其作用是当管10向内位移至最大行程时其端口位于缓冲液进口24处但并不封堵该进口24。

三电极电化学池电解反应时，试样进口15为管10封堵，反应结束后进样，将棒5向内推移至最大行程，到位后继续向外拉移管10开启试样进口15，使薄层电解室16内的试样进入管10，进样结束后将管10向内推移复位，使多余试样被压回薄层电解室16，继续向内推移管10至最大行程，到位后继续向外拉移棒5开启缓冲液进口24，至此可加高压进行毛细管电泳分离检测。

本发明首次实现了在芯片上三电极薄层电化学池与微流控毛细管通道的组装，将薄层室、辅助电极室、参比电极室、微流控进样通道、缓冲液池和电极引线集成在一块常规尺寸的双层结构的芯片上，为芯片实验室混合反应单元增添“电化学反应”这一新成员，拓展了芯片实验室和毛细管电泳技术的应用范畴。

本发明以厘米尺度的片状工作电极和亚毫米厚度的薄层电解室，经几秒到几分钟的不同程度的电解，产生几十微升的样品量，可供多次毛细管电泳进样后再行电泳分离。每次毛细管进样量仅需纳升级，用极细内径的弹性石英毛细管作为分离载体。芯片典型尺寸为35mm×25mm×6mm，反应物的电解、产物样品的进样和高压电泳分离都在芯片(及电泳仪)上完成。

该芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置具有如下特点：

(1)芯片结构合理简约，加工制作简便，实验操作易控，并可长期反复使用。

(2)结合了芯片微流控和长分离通道两方面的优点，改善了混合组分的分离度并使电泳测试结果更具重现性。

(3)进样前的瞬间，微量样品脱离电极表面而立即终止电化学反应，从而可准确确定反应时间。

(4)有效地减轻了进样死体积的不利影响。

(5)工作电极材料不受限制，使用时可方便地固定于芯片中或取出清洗。

(6)本装置可以应用于对复杂电极反应动力学研究及相关应用领域的测试。

四、附图说明

图1是本装置的俯视图。图中：1 盖片；2 工作电极背板；3 工作电极引线；4 毛细棒限位套；5 毛细棒；6 缓冲液池注液孔；7 电极导流铜片；8 辅助电极室注液孔；9 参比电极室注液孔；10 分离毛细管。

图2是图1中截面AA的剖面图。图中：1 盖片；2 工作电极背板；3 工作电极引线；4毛细棒限位套；5 毛细棒；10 分离毛细管；11 基片。

图3是图1中截面BB的剖面图。图中：1 盖片；2 工作电极背板；3 工作电极引线；4毛细棒限位套；5 毛细棒；10 分离毛细管；11 基片；12 微流控通道；13 垫片；14 工作电极片；15 试样进口；16 薄层电解室。

图4是图1中截面CC的剖面图。图中：6 缓冲液池注液孔；9 参比电极室注液孔；17缓冲液池；18 参比电极室。

图5是图4中截面DD的剖面图(分离毛细管10处于进样位置)。图中：4 毛细棒限位套；5 毛细棒；10 分离毛细管；11 基片；13 垫片；15 试样进口；17 缓冲液池；19 铂丝电泳电极；20 辅助电极室；21 铂丝辅助电极；22 Ag/AgCl参比电极。

图6是图4中截面DD的剖面图(分离毛细管10处于电泳运行位置)。图中：5 毛细棒；10 分离毛细管；11 基片；13 垫片；15 进样口；17 缓冲液池；19 铂丝电泳电极；20 辅助电极室；21 铂丝辅助电极；22 Ag/AgCl参比电极；23 毛细管限位套；24 缓冲液进口。

图7是采用图1-图6所示的微流控在线进样装置测得的槲皮素薄层循环伏安图。槲皮素浓度为5×10^-4mol·L^-1，电解液pH＝2.2，扫描速率为2mV·s^-1。

图8是采用图1-图6所示的微流控在线进样装置测得的槲皮素恒电势氧化产物的在线毛细管电泳谱图。电解液同图7，电解电势为0.55V，电解时间为60s；电泳进样时间为30s，电泳运行液为20mmol·L^-1 Na₂B₄O₇pH＝9.2，分离电压为20kV，紫外检测波长为210nm。

五、具体实施方式

结合附图，非限定实施例叙述如下：

实施例1：制作芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置

本例中，分别取2mm和4mm厚的聚苯乙烯(PS)板加工盖片1和基片11，尺寸分别截取为35mm×25mm和35mm×20mm。在如图1所示的盖片1上相应位置分别开出一10mm×10mm方形通孔、两个辅助电极室注液孔8、一个参比电极室注液孔9和一个缓冲液池注液孔6。在盖片1上粘上四片电极导流铜片7，其中三片分别与铂丝电泳电极19、铂丝辅助电极21和Ag/AgCl参比电极22的引线连接，另一片用于在电解时与工作电极引线3连接。

在基片11上钻一通道式参比电极室18(图4)，内置Ag/AgCl参比电极22，电极引线与一片铜片7连接，参比电极室18的末端以微孔与薄层电解室16中部相通。

在基片11上对应盖片1正方形孔的对边外两侧开出两个对称的长方形凹槽作为辅助电极室20(图5)，一根Pt丝辅助电极21串联两个辅助电极室20，一端与一片铜片7连接。

在基片11上钻出直径约5mm、深4mm的缓冲液池17(图4、图5)。用于存放电泳运行缓冲液。内置铂丝电泳电极19，一端与一片铜片7连接。

在基片11的长轴线位置上嵌入一段不锈钢管作为微流控通道12，长35mm，内径0.4mm，在通道12的确定位置上钻有两个微孔，即试样进口15和缓冲液进口24，分别与薄层电解室16和缓冲液池17相通。通道内置两根外径与通道内径密合的毛细管和毛细棒，一根分离毛细管10作为电泳分离通道，长度为45cm，末端与电泳仪检测池相连；另一根毛细棒5长度为4cm。两对接端截面打磨平整并与毛细管轴向垂直。在毛细棒5和毛细管10的精确位置上分别固定限位套4(图5)和限位套23(图6)。

盖片1和基片11之间用环氧树脂胶粘合。但在薄层电解室16与两侧辅助电极室20之间区域，基片与盖片之间不用胶封或热封，自然存在的微缝隙作为电解时的电流通道。在正方形孔未开挖长方形凹槽的两条对边的内侧底面(即基片11表面)，用胶各贴上一厚度0.2mm、宽度1mm的垫片13(图3、图5)。由背板2上固定的工作电极片14组成的工作电极与基片11之间构成薄层电解室16，工作电极引线3一端与一片铜片7连接。

实施例2：在线分离检测电解产物

将实施例1制得的芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置用于恒电势氧化槲皮素，制备微量电解样品供毛细管电泳仪进行在线分离检测。电泳测试采用CL1020高效毛细管电泳仪(北京彩陆科学仪器有限公司)，配紫外检测器，熔融石英毛细管内径50μm(河北永年光导纤维厂)。电化学系统同实施例1。槲皮素浓度为5×10^-4mol·L^-1，电解液pH＝2.2，电解电势为0.55V，电解时间为60s；10cm高差进样30s，电泳运行液为20mmol·L^-1 Na₂B₄O₇(pH＝9.2)，分离电压为20kV，紫外检测波长为210nm。所得毛细管电泳谱图见附图8。

Claims (1)

1.一种芯片式薄层电解池毛细管电泳微流控在线进样装置，包括芯片和芯片上集成的三电极电化学池和毛细管进样机构，其特征在于：所述的芯片由盖片(1)和基片(11)所构成，在盖片(1)上设置四片电极导流铜片(7)，在盖片(1)的中心位置开有矩形或正方形通孔，由嵌入该孔的由背板(2)和电极片(14)组成的片状工作电极、垫片(13)和基片(11)上对应该孔位置的表面构成薄层电解室(16)，一根工作电极引线(3)连接工作电极和一片铜片(7)，在盖片(1)上还开有注液孔(6)、(8)、(8)和(9)，依次分别与缓冲液池(17)、两辅助电极室(20)和参比电极室(18)连通；在基片(11)上设置缓冲液池(17)，池内置入一根铂丝电泳电极(19)，在基片(11)上设置通道式的参比电极室(18)，其一端与薄层电解室(16)连通，一根Ag/AgCl参比电极(22)的一端连接一片铜片(7)，在基片(11)上设置两个长方形凹槽式辅助电极室(20)，两个辅助电极室(20)位于薄层电解室(16)外对称的两侧，一根铂丝辅助电极(21)串联两辅助电极室(20)，其一端连接一片铜片(7)；在盖片(1)和基片(11)接触界面的轴线方向上固定一条与芯片基本等长的微流控通道(12)，在微流控通道(12)上开有试样进口(15)和缓冲液进口(24)分别与薄层电解室(16)和缓冲液池(17)连通，在微流控通道(12)内置放一根毛细棒(5)和一根分离毛细管(10)，毛细棒(5)和分离毛细管(10)的外径与微流控通道(12)的内径相配合且可在其内左右滑动，毛细棒(5)和分离毛细管(10)各固定一限位套(4)和限位套(23)。

Images