CN103018310A

CN103018310A - 用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构及其实现方法

Info

Publication number: CN103018310A
Application number: CN2012105419347A
Authority: CN
Inventors: 何越; 石云杰; 陈维忠; 艾洪新; 杨楠
Original assignee: KAIJING BIOLOGICAL TECHNOLOGY (SUZHOU) Co Ltd
Current assignee: Zhang Yingpin
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构及实现方法，包括石英毛细管、阳极液池、样品池和阴极液池，石英毛细管的两端分别镀有金属层，形成阳极与阴极，阳极和阴极分别通过导线与高压电源相连，阳极液池与石英毛细管的阳极端密封连接，阳极液池、高压电源和石英毛细管的位置均固定；样品池和阴极液池固定在一维移动装置上，样品池和阴极液池的下端均设有供石英毛细管快速扫过的缺口。将电极与电泳通道整合为一体，以石英毛细管为电泳通道，在石英毛细管的两端镀上金属层，作为电极。由于储液池与电泳通道分离从而解放了电泳通道，使其可以自由移动，解决了单一电泳通道不能快速进行多样品进样的问题。

Description

用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构及其实现方法，属于电泳及微流控技术领域。

背景技术

毛细管电泳（CE）又称高效毛细管电泳（HPCE，High Performance Capillary Electrophoresic）或毛细管电分离法（CESM），是离子或荷电粒子以高压直流电场为驱动力，在毛细管中按其淌度或/和分配系数不同进行高效、快速分离的一种新技术。高效毛细管电泳已经用于糖类化合物的分离检测、氨基酸对映体的拆分、蛋白质、多肽分析、神经递质类物质的分离检测、寡核苷酸的分离、DNA 测序和 DNA 限制性片段分离等分离分析研究。

Jorgenson和 Lukacs，于1981年使用75μm内径的熔融石英毛细管，采用电迁移进样和灵敏的荧光检测，在30KV电压下产生4×10⁵/m的理论塔板数，这样高的柱效成为高效毛细管电泳划时代的里程碑。目前，国际上的HPCE研究侧重于应用，而新的分离模式及联用技术的研究也取得不少突破。

HPCE结构，在应用广泛的毛细管区带电泳中，毛细管和电极槽内充有相同组分和浓度的背景电解质溶液（缓冲溶液），样品从毛细管的一端（称为进样端）导入，当毛细管两端加上一定电压后，荷电溶质便朝与其电荷极性相反的电极方向移动。由于样品不同组分间的淌度不同，迁移速率不同，因而经过一定时间后，各组分将按其速率（淌度）大小顺序，依次到达检测器被检出，得到按时间分布的电泳谱图。这种谱图类似于色谱的流出曲线，每一个峰代表一个组分，迁移时间类似于色谱的保留时间，可作定性分析，谱峰高度或面积可作定量分析。但是，这种传统的熔融石英毛细管电泳的缺点有：1）石英毛细管很长，电泳的时间很长；2）毛细管的两端电极槽很大以及毛细管的长度造成了电泳仪体积很大；3）由于毛细管的长度造成通电的电压很高；4）进样量很难控制。

由于以上缺点，后来研发出芯片毛细管电泳技术，所谓芯片毛细管电泳技术就是将样品处理、进样、分离、检测均集成在一块几平方厘米的芯片上的一项微型实验室技术，又称集成毛细管电泳芯片（ Integrated Capillary Electrophoresis Chips, ICE 芯片）。这项技术可望发展成微全分析系统和芯片实验室的主流技术。研究和广泛应用，将使DNA和蛋白质检测、环境监测、新药研究开发、食品安全检测等许多领域产生革命性的变化。

1）毛细管电泳芯片的材料和结构

毛细管电泳芯片的基体材料有石英、玻璃、硅片、高聚物、陶瓷和硅橡胶等几种，玻璃是目前使用最多的芯片材料，成功应用主要与其所具有的良好的光学性质、散热性和绝缘性以及已研究透彻的表面性质，在过去40年这些材料的微加工方法在微电子领域得到了成熟发展。ICE 芯片技术是在半导体的微制造技术基础上发展起来。以玻璃为基片的毛细管电泳芯片制造过程，一般经过沉积、光刻、刻蚀和键合四步工艺。虽然采用干法刻蚀可以在玻璃上获得高深宽比的微管道，但管道的表面比较粗糙，从而降低了电泳的分离效率。所以一般采用湿法刻蚀的方法在玻璃上制作光滑的微管通道。用塑料材料来做基体材料价格便宜，有良好的绝缘性，可施加高电场实现快速分离，成形容易，批量生产成本低，易获得高深宽比的微结构，且电渗流与溶液的 p H 基本无关，具有广阔的应用前景。硅橡胶中最常用的是聚二甲基硅氧烷（PDMS），其优点有：价格便宜、可大规模生产，制备容易、耗时短、容易封装。高聚物材料的与玻璃相比信噪比比较差是当前面临的问题。

毛细管电泳芯片的通道深度一般为 10 ～100μm，宽度为 30～200μm。电泳芯片分离微通道的结构主要有直线型、螺旋形、多边形、弯曲形等。其中直线形结构简单、分离效率高，但仅适用于较短的分离通道，螺旋形具有较大的曲率半径，分离效率较高，适合于较长的分离通道。多边形结构紧凑，但在拐点处存在死体积区，使分离效率降低。弯曲形具有结构紧凑的特点，但由于弯曲处的“跑道效应”，将使样品区带增宽。随着人们研究的深入，通道数量也在不断增多，从最初的单通道结构，到后来的 8 通道、12 通道、16通道，48通道、96通道，发展到现在的 384 个通道。

2）芯片毛细管电泳的进样

在芯片毛细管电泳中，进样量一般为 pL 级，对进样的要求比较严格，极小的微毛细管沟道尺寸更增加了进样难度，因此为达到高效而快速分离检测目的，现在大多采用的是电迁移进样模式下的二维十字交叉形进样口结构，此结构的优点是可以通过电压转换实现在线进样，排除了外界干扰，易于进行定量分析。在芯片毛细管电泳中，由于进样通道和分离通道交叉形成了一个注样区域，因此其进样方式与传统的毛细管电泳有一定的差别。

芯片毛细管电泳进样方式主要是采用电迁移进样，电迁移进样又分为“悬浮进样”“夹流进样”和“门式进样”，悬浮进样是进样时在样品池加一定的电压，样品在电流作用下进入分离通道，待进完样后，将高压转向缓冲池，样品开始分离。悬浮进样的进样量与所加的电压有关，淌度大的物质进样就快，存在电迁移进样歧视。夹流进样则是进样时在样品池、缓冲液池和分离废液池的每个池两端分别施加上一定的电压，将样品废液池接地，通过加不同的电压来控制进样时合适的电场强度可以减少电迁移进样歧视，提高了进样的精确性，夹流进样可有效地防止试样带的扩散和试样通道中试样向分离通道的泄漏。而门式进样是在每个池上均加有电压，分离电压加在分离通道前端和缓冲池的一侧，当启动高压时，部分高压流向样品池，此时样品废液池和检测池必须接地。这种进样方式可进行连续进样，但也存在较大的样品歧视。

由于芯片毛细管电泳虽然解决了体积大进样量容易控制的问题，但是增加了操作的复杂度。电极由两个增加到四个、储液池也增加到四个，这样给芯片的清洗带来很大的难度。

无论是传统的毛细管电泳还是后来发展的毛细管电泳芯片，都有一个共同的问题就是都需要电极，都要将电极插在通道两端的电极液或者电极槽中，与电泳通道是分离的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于实现多次进样毛细管芯片电泳结构及其实现方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，特点是：包括石英毛细管、阳极液池、样品池和阴极液池，所述石英毛细管的两端分别镀有金属层，形成阳极与阴极，阳极和阴极分别通过导线与高压电源相连，所述阳极液池与石英毛细管的阳极端密封连接，所述阳极液池、高压电源和石英毛细管的位置均固定；所述样品池和阴极液池固定在一维移动装置上，样品池和阴极液池的下端均设有供石英毛细管快速扫过的缺口。

进一步地，上述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其中，所述一维移动装置上设置有多组样品池和阳极液池，每一样品池和阴极液池的下端均设有供石英毛细管快速扫过的缺口。

更进一步地，上述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其中，所述石英毛细管的长度为5cm～20cm；所述石英毛细管的内径为25～150微米，外径为100～500微米。

更进一步地，上述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其中，所述缺口的宽度为0.5～2mm 。

再进一步地，上述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其中，所述金属层为金层、银层、铜层、铝层、镍层或铂层；所述金属层的厚度为10nm～20μm。

本发明用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构的实现方法，首先，用注射器在阳极液池处向石英毛细管中加入筛分胶，将阳极和阴极分别与高压电源连接，移动一维移动装置使石英毛细管对准阴极液池后，打开高压电源，然后，一维移动装置以1mm/s～10m/s的速度快速移动使石英毛细管快速扫过样品池的缺口处，进入下一个阴极液池停留1～10分钟，使样品在阴极液池中电泳完成。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

将电极与电泳通道整合为一体，以10cm的熔融石英毛细管为电泳通道，在石英毛细管的两端镀上金属层，作为电极。由于储液池与电泳通道分离从而解放了电泳通道，使其可以自由移动，不仅解决单一电泳通道不能快速进行多样品进样的问题，还解决芯片毛细管电泳的电极多、储液池比较多、清洗困难等问题。本发明检测通量极大提高，可以每小时检测几十、几百甚至上千个样品。需要样品量极少，样品消耗量仅0.3nl。样品池与阴极液池间隔排列，有效避免污染。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，包括石英毛细管3、阳极液池6、样品池4和阴极液池5，石英毛细管3的长度为5cm～20cm；所述石英毛细管的内径为25～150微米，外径为100～500微米，石英毛细管两端的聚酰亚胺外涂层去掉，去掉长度范围1mm～20mm，石英毛细管3的两端分别镀有金属层，形成阳极1与阴极2，金属层为金层、银层、铜层、铝层、镍层或铂层，金属层的厚度为10nm～20μm，阳极1和阴极2分别通过导线与高压电源相连，阳极液池6与石英毛细管3的阳极端密封连接，阳极液池6、高压电源和石英毛细管3的位置均固定；样品池4和阴极液池5固定在一维移动装置上，样品池4和阴极液池5的下端均设有供石英毛细管快速扫过的缺口，缺口的宽度为0.5～2mm。

更佳的是，一维移动装置上设置有多组样品池和阳极液池，每一样品池和阴极液池的下端均设有供石英毛细管快速扫过的缺口。可以使石英毛细管快速的扫过多个样品，实现快速检测多样品。

上述装置用于检测时，首先，用注射器在阳极液池6处向石英毛细管3中加入筛分胶，将阳极1和阴极2分别与高压电源连接，移动一维移动装置使石英毛细管3对准阴极液池5后，打开高压电源，高压电源的电压为1000～10000V，然后，一维移动装置以1mm/s～10m/s的速度快速移动使石英毛细管3快速扫过样品池4的缺口处，进入下一个阴极液池（另一组阴极池和样品池，理论上可以无限扩展）停留1～10分钟，使样品在阴极液池中电泳完成。

本发明创造性的将电极与电泳通道整合为一体，以10cm的熔融石英毛细管为电泳通道，在石英毛细管的两端镀上金属层，作为电极。由于储液池与电泳通道分离从而解放了电泳通道，使其可以自由移动，不仅解决单一电泳通道不能快速进行多样品进样的问题，还解决芯片毛细管电泳的电极多、储液池比较多、清洗困难等问题。

本发明检测通量极大提高，可以每小时检测几十、几百甚至上千个样品。需要样品量极少，样品消耗量可以达到0.3nl。样品池与阴极液池间隔排列，不会引起污染。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其特征在于：包括石英毛细管、阳极液池、样品池和阴极液池，所述石英毛细管的两端分别镀有金属层，形成阳极与阴极，阳极和阴极分别通过导线与高压电源相连，所述阳极液池与石英毛细管的阳极端密封连接，所述阳极液池、高压电源和石英毛细管的位置均固定；所述样品池和阴极液池固定在一维移动装置上，样品池和阴极液池的下端均设有供石英毛细管快速扫过的缺口。

2.根据权利要求1所述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其特征在于：所述一维移动装置上设置有多组样品池和阳极液池，每一样品池和阴极液池的下端均设有供石英毛细管快速扫过的缺口。

3.根据权利要求1所述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其特征在于：所述石英毛细管的长度为5cm～20cm。

4.根据权利要求1所述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其特征在于：所述石英毛细管的内径为25～150微米，外径为100～500微米。

5.根据权利要求1或2所述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其特征在于：所述缺口的宽度为0.5～2mm 。

6.根据权利要求1所述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其特征在于：所述金属层为金层、银层、铜层、铝层、镍层或铂层。

7.根据权利要求1或6所述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构，其特征在于：所述金属层的厚度为10nm～20μm。

8.权利要求1所述的用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构的实现方法，其特征在于：首先，用注射器或者其他压力泵在阳极液池处向石英毛细管中加入筛分胶，将阳极和阴极分别与高压电源连接，移动一维移动装置使石英毛细管对准阴极液池后，打开高压电源，然后，一维移动装置以1mm/s～10m/s的速度快速移动使石英毛细管快速扫过样品池的缺口处，进入下一个阴极液池停留1～10分钟，使样品在阴极液池中电泳完成。