CN104646079B - 一种用于毛细管电泳的离心微流控芯片及毛细管凝胶电泳装置 - Google Patents
一种用于毛细管电泳的离心微流控芯片及毛细管凝胶电泳装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于医药分析及检测领域，具体涉及一种用于毛细管电泳的微流控芯片。为了解决现有硅毛细管微流控芯片成本较高，灵敏度较低的问题，本发明提供一种用于毛细管电泳的离心微流控芯片。所述芯片包括载片和芯片盖；所述载片上设置有毛细管电泳通道，毛细管电泳通道沿芯片径向分布；毛细管电泳通道的旁边设置有冷却液通道；毛细管电泳通道的起始端连通样品池和缓冲液池，毛细管电泳通道的终端连通废液池；毛细管电泳通道的起始端设置有阴极插孔，终端设置有阳极插孔；毛细管电泳通道的终端设置有重力控制阀；所述冷却液通道的两端设置有冷却液连接口。该离心微流控芯片成本低、灵敏度高、处理通量高。
Description
技术领域
本发明属于医药分析及检测领域，具体涉及一种用于毛细管电泳的微流控芯片。
背景技术
目前常用的用于毛细管电泳的微流控芯片是硅毛细管微流控芯片，硅毛细管的横截面通常是圆形,在同等横截面的情况下，光通路比矩形的横截面短，因而灵敏度相对低。同时这种硅毛细管微流控芯片的成本较高。
发明内容
为了解决现有硅毛细管微流控芯片成本较高，灵敏度较低的问题，本发明提供一种用于毛细管电泳的离心微流控芯片。该离心微流控芯片成本低、灵敏度高、处理通量高。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种用于毛细管电泳的离心微流控芯片，所述芯片包括载片和芯片盖；所述载片上设置有毛细管电泳通道，毛细管电泳通道沿芯片径向分布；毛细管电泳通道的旁边设置有冷却液通道；毛细管电泳通道的起始端(或称进液端，靠近芯片圆心的一端)连通样品池和缓冲液池，毛细管电泳通道的终端(或称出液端，靠近芯片圆周的一端)连通废液池；毛细管电泳通道的起始端设置有阴极插孔，终端设置有阳极插孔；毛细管电泳通道的终端设置有重力控制阀；所述冷却液通道的两端设置有冷却液连接口。
上述离心微流控芯片还可称为离心式CD微流控芯片。
进一步的，所述芯片为圆形。进一步的，所述芯片为圆环形。
进一步的，毛细管电泳通道的终端与废液池之间设置有重力控制阀。
上述离心式微流控芯片的操作过程如下：将样品加入样品池，将缓冲液加入缓冲液池，将冷却液通过冷却液连接口通入冷却液通道，将阴极插入阴极插孔，将阳极插入阳极插孔；开动微流控芯片，在离心力的作用下，缓冲液由缓冲液池进入毛细管电泳通道、样品由样品池进入毛细管电泳通道，在电极的作用下样品在通道内电泳，完成电泳后，样品及缓冲液由毛细管电泳通道进入废液池。在电泳过程中，冷却液流过冷却液通道，对毛细管电泳通道内的液体起到冷却的作用。
与目前常用的硅毛细管不同，本发明提供的芯片采用可以通透紫外光的聚合物为原料，用模具注塑成型，成本是硅毛细管的千分之一以下。
与现有技术相比，本发明提供的用于毛细管电泳的离心微流控芯片提高了灵敏度，降低了成本，提高了处理通量，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明提供的微流控芯片的载片结构示意图；
图2是本发明提供的微流控芯片的芯片盖的结构示意图；
图3是图1所示微流控芯片A部分和芯片盖的侧面结构示意图；
图4是本发明提供的毛细管凝胶电泳装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本申请提供的技术方案进行详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明提供一种用于毛细管电泳的离心式CD微流控芯片，所述芯片包括载片10和芯片盖20；所述载片10上设置有毛细管电泳通道101，毛细管电泳通道沿芯片径向分布；毛细管电泳通道101的旁边设置有冷却液通道102；毛细管电泳通道的起始端(或称进液端，靠近芯片圆心的一端)连通样品池108和缓冲液池107，毛细管电泳通道的终端(或称出液端，靠近芯片圆周的一端)连通废液池109；毛细管电泳通道的起始端设置有阴极插孔105，终端设置有阳极插孔106；毛细管电泳通道的终端设置有重力控制阀104；所述冷却液通道的两端设置有冷却液连接口103。
进一步的，毛细管电泳通道的终端与废液池109之间设置有重力控制阀104。
上述离心式微流控芯片的操作过程如下：将样品加入样品池108，将缓冲液加入缓冲液池107，将冷却液通过冷却液连接口103通入冷却液通道102，将阴极插入阴极插孔105，将阳极插入阳极插孔106；开动CD微流控芯片，在离心力的作用下，缓冲液由缓冲液池进入毛细管电泳通道、样品由样品池进入毛细管电泳通道，在电极的作用下样品在通道内电泳，完成电泳后，样品及缓冲液由毛细管电泳通道进入废液池109。在电泳过程中，冷却液流过冷却液通道，对毛细管电泳通道内的液体起到冷却的作用。
上述芯片既可以用于毛细管凝胶电泳，也可以用于图像毛细管电泳。
进一步的，多个毛细管电泳通道集成在一块3×4英寸的紫外光可以透过的芯片上。上述芯片可以同时进行多个毛细管电泳试验。所述毛细管电泳通道可以是2-12个，例如，4、5、6、8个。
所述样品池是圆形或者其他形状。样品池用于进样。并且，相邻样品池(也称为进样池)之间的距离为9毫米，以便于现有多通道进样器或者自动化仪器的使用。
毛细管电泳通道的进样端设置有阴极插孔105，阴极插孔用于接通阴极插头，用于电泳。
所述芯片盖20包括冷却液进口203，冷却液出口204，阴极通孔205，阳极通孔206，缓冲液添加口208，样品添加口209。所述冷却液进口203和冷却液出口204分别与冷却液通道两端的冷却液连接口103相连通。所述阴极通孔205与阴极插孔105相连通。所述阳极通孔206与阳极插孔106相连通。所述缓冲液添加口208与缓冲液池107相连通。所述样品添加口209与样品池108相连通。
图像毛细管电泳,包括图像等电聚焦毛细管电泳(ImagingCapillaryIsoeletricFocusingElectrophoresis(icIEF)和图像SDS凝胶毛细管电泳(ImagingCapillarySDSGelElectrophoresis)(iCE-SDS)，是实时监测整个电泳通道的图像，是用于实时检测电泳中的分子的技术。
离心微流控芯片(centrifugalmicrofluidicchip)是一种利用离心力控制微流控芯片中液体流动的技术。其技术关键在于利用离心力敏感的开关来控制液体的灌注和排空等等。
进一步的，所述样品池108与毛细管电泳通道101之间设置有重力控制阀；所述缓冲液池107与毛细管电泳通道101之间设置有重力控制阀。
本发明在离心微流控芯片上集成了毛细管电泳的所有样品，并且通过不同的离心力打开不同的重力控制阀，同时在离心力的作用下，将液体注入不同的毛细管电泳通道(也称为电泳通道，微流控通道，或毛细管通道)或者排空已完成反应的通道，从而完成自动填充毛细管或自动准备毛细管。上述离心微流控芯片能自动装填电泳样品，自动进行毛细管电泳等一系列的操作。
上述重力控制阀门是由离心力控制打开或者关闭。例如，在离心力为100XG的情况下，打开缓冲液池与毛细管电泳通道之间的阀门，缓冲液由于离心力而进入毛细管电泳通道，离心力提高到200XG的时候，样品池与毛细管电泳通道之间的阀门(或称样品通路上的阀门)打开，样品在离心力的作用下进入毛细管电泳通道，完成样品装填。反应完成后，离心力提高到300XG,，毛细管电泳通道出液端的阀门打开，反应液排入到废液池109。
离心微流控的优点在于：(a)、体系中没有气泡的干扰；(b)、样品注入采用离心力开关精确控制；(c)、样品注入采用样品溶液整体注入，而不是采用电动力学方法注入样品，有利于样品精确定量。
进一步的，所述毛细管通道是具有矩形横截面的凝胶毛细管电泳通道。
矩形横截面的凝胶毛细管电泳通道有利于增加检测光光路的长度，但是不增加横截面的面积，这样在不增加电泳通道的电阻(也就是电流强度)的情况下，增加了检测的灵敏度。
进一步的，所述毛细管通道是弯曲的毛细管通道。
弯曲的电泳通道使有限面积的检测光可以最大限度地覆盖整个电泳毛细管路，从而在没有移动器件的条件下，可以获得整个电泳通路的图像。
进一步的，电泳通道为连续的S形状。
进一步的，电泳通道为正弦波形状。
进一步的，如图2所示，芯片上包含有多个弯曲迂回的毛细管通道。通常，上述微流控芯片包含六个毛细管通道，比起直线形的通道，在3×4英寸的微流控芯片的空间里，电泳通道的长度可以增加3到10倍，这大大地提高了电泳的分辨率。
进一步的，电泳通道为正弦波形状，自圆心向圆周方向，所述正弦波的周期不变，高度逐渐增高。
进一步的，电泳通道为正弦波形状，如图1所示，所述正弦波的相邻拐点分别称为拐点C、拐点D，自圆心向圆周方向，所述正弦波的周期不变，拐点C和拐点D之间的距离逐渐增大。
进一步的，所述载片和芯片盖是由紫外光可透射的聚合材料制成。
采用能透过紫外光的聚合材料制备芯片具有以下优点:芯片制作成本大大降低，产品重复性好，一块芯片上可以制作至少12个毛细管电泳通道，冷却液通道可以直接设置在电泳通道两侧，并且冷却液通道不覆盖在毛细管的表面，这样有利于进行全毛细管图像的检测，免除了让最终产品依次通过检测器的程序。
所述聚合材料选自聚甲基戊烯(Polymethylpentene，PMP)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合树脂，例如，TOPASAdvancedPolymersshengchande生产的COC。
进一步的，所述冷却液通道102包括第一冷却液通道1021和第二冷却液通道1022，第一冷却液通道1021和第二冷却液通道1022分别位于毛细管电泳通道的两侧。
进一步的，毛细管通道的矩形横截面是狭窄的矩形，宽度是10至50微米，深度是200至500微米。
这样，毛细管通道在横截面面积不变的情况下，宽度可以只有25微米，但是深度可以达到300至500微米。这样，检测光的通道就会比普通的圆形通道(如传统仪器中的圆形毛细管通道)的光程要长10倍以上。这样，检测的灵敏度就可以提高10倍。
进一步的，所述毛细管通道的矩形横截面是狭窄的矩形，宽度是10至25微米，深度是300至500微米。
进一步的，所述毛细管通道长约300毫米，宽50微米，深500微米。
进一步的，所述毛细管通道内壁覆盖有利于蛋白质在电泳中移动的涂料。
所述涂料为本领域公知的材料，例如，羟乙基纤维素，聚乙烯醇，聚氧乙烯等等，以便于蛋白质或者核酸的运动。
上述的微流控芯片的使用方法包括下述步骤：
(1)用多通道移液器在每个样品池中加入适量的样品(蛋白)；
(2)通过离心方式将样品加入毛细管通道中，并且排除气泡；
(3)将步骤(2)得到的芯片放入电泳仪中，在每个毛细管通道的两端都插入电极；在每个冷却液通道的两端连通冷却液。
(4)开始电泳并且搜集数据。
本发明还提供一种毛细管凝胶电泳装置，所述装置包括所述的离心式CD微流控芯片。
进一步的，如图4所示，所述装置还包括信号采集及处理模块，第一凸透镜、第二凸透镜和光源；光源501上设置第一凸透镜502，第一凸透镜502上设置芯片503，芯片503上设置第二凸透镜504，第二凸透镜504上设置信号采集及外理模块505。
进一步的，所述信号采集与处理模块包括电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,简称CCD)。
与现有硅毛细管的圆形横截面相比，本发明提供的离心微流控芯片的电泳通道的横截面为矩形。这样，在使用同样体积的溶液时，上述离心微流控芯片的光路比硅毛细管的要长至少5倍；这样，在同样的条件下，与硅毛细管微流控芯片相比，上述离心微流控芯片的灵敏度可以提高5倍以上。同时，由于离心微流控芯片的电泳通道可以制作成弯曲迂回的形状，在相似大小的微流控芯片(例如，3×4英寸)里，本发明提供的离心微流控芯片的电泳通道的长度达到了20厘米，是硅毛细管的2倍。这样在上样量提高两倍的情况下，仍然可以达到同样的分辨度。因此，本发明提供的离心微流控芯片的理论灵敏度比硅毛细管芯片要高10倍左右。同时，本发明提供的离心微流控芯片还增加了处理通量，在一块芯片上集成了6个电泳通道。在一次处理2块芯片的情况下，可以平行处理12个样品。本微流控芯片的外形采用半个96孔微孔板的设计。样品池的大小和距离和96孔微孔板一致。在使用96孔微孔板的情况下，可以用现有的全自动实验仪器处理。
实施例1
本发明提供的离心式微流控芯片，其中，载片为圆形，厚1.5毫米，外径120毫米，内径15毫米。毛细管通道长约300毫米，宽50微米，深500微米。
芯片盖采用与载片同样的材料，厚1.0毫米，直径120毫米，内径15毫米。芯片盖与载片粘和在一起。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡是根据本发明内容所做的均等变化与修饰，均涵盖在本发明的专利范围内。
Claims (10)
1.一种用于毛细管电泳的离心微流控芯片，其特征在于，所述芯片包括载片和芯片盖；所述载片上设置有毛细管电泳通道，毛细管电泳通道沿芯片径向分布；毛细管电泳通道的旁边设置有冷却液通道；毛细管电泳通道的起始端连通样品池和缓冲液池，毛细管电泳通道的终端连通废液池；毛细管电泳通道的起始端设置有阴极插孔，终端设置有阳极插孔；所述样品池与毛细管电泳通道之间设置有重力控制阀，所述缓冲液池与毛细管电泳通道之间设置有重力控制阀，所述毛细管电泳通道的终端设置有重力控制阀；所述冷却液通道的两端设置有冷却液连接口；
所述毛细管电泳通道为正弦波形状；
所述毛细管电泳通道是具有矩形横截面的凝胶毛细管电泳通道；
所述毛细管电泳通道的矩形横截面是狭窄的矩形，宽度是10至50微米，深度是200至500微米。
2.根据权利要求1所述的离心微流控芯片，其特征在于，所述毛细管电泳通道的矩形横截面的宽度是50微米，深度是500微米。
3.根据权利要求1所述的离心微流控芯片，其特征在于，所述毛细管电泳通道为正弦波形状，自圆心向圆周方向，所述正弦波的周期不变，高度逐渐增高。
4.根据权利要求1所述的离心微流控芯片，其特征在于，所述毛细管电泳通道是弯曲的毛细管电泳通道。
5.根据权利要求1所述的离心微流控芯片，其特征在于，所述载片和芯片盖是由紫外光可透射的聚合材料制成。
6.根据权利要求1所述的离心微流控芯片，其特征在于，所述冷却液通道包括第一冷却液通道和第二冷却液通道，第一冷却液通道和第二冷却液通道分别位于毛细管电泳通道的两侧。
7.根据权利要求3所述的离心微流控芯片，其特征在于，所述正弦波的相邻拐点分别称为拐点C、拐点D，自圆心向圆周方向，所述正弦波的周期不变，拐点C和拐点D之间的距离逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的离心微流控芯片，其特征在于，所述毛细管电泳通道内壁覆盖有利于蛋白质在电泳中移动的涂料。
9.一种毛细管凝胶电泳装置，其特征在于，所述装置包括权利要求1-8之一所述的离心微流控芯片。
10.根据权利要求9所述毛细管凝胶电泳装置，其特征在于，所述装置还包括信号采集及处理模块、第一凸透镜、第二凸透镜和光源；光源上设置第一凸透镜，第一凸透镜上设置芯片，芯片上设置第二凸透镜，第二凸透镜上设置信号采集及外理模块。
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