CN105116041B - 一种便携式微流控芯片电泳检测装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式微流控芯片电泳检测装置，包括微流控芯片和电路板，所述电路板设置有USB接口，所述的电路板通过USB接口与电源连接为微流控芯片提供低压电源；所述的微流控芯片设置有微流通道，待检测物质在所述微流通道内发生分离后通过电化学工作站进行检测。其易于携带、工艺设备简单，重复性好，原料价格低廉，具有明显的低成本的优点。
Description
技术领域
本发明涉及低压微流控装置检测技术领域，具体设计一种可从USB接口直接取电的用于蛋白质检测分离的U盘型便携式微流控芯片电泳检测装置、以及其在蛋白质和其他生化样品、生化小分子等分离检测中的应用。
背景技术
微流控芯片(LOC)是指把生化、医学等领域里实验所包括的各种微小反应通过一种微细加工技术全部转移并迷你化到一块类似玻璃片大小的芯片上，制作出许多微结构装置，构建出各结构单元灵活组合集成的可微检测的系统，伴随芯片电泳几十年内的不断创新和进步，微流控芯片电泳技术已经成为当代分析类学科不断向微型化、自动化、一体化的方向发展的具有巨大潜力的前沿技术。
与此同时，芯片电泳技术不断创新，研究焦点也正慢慢转移到建设不同学科类型的芯片，从分析化学到生物学，从信息学到电子学、从医学到环境学，不胜枚举，它的应用也不仅仅限制在以往常见的生物、化学、医学诊断学等领域，如环境污染物检测、农药化学、食品化学、DNA检测、蛋白质分离、药品检测、临床检测、医疗健康、司法鉴定等，也拓展在光学、信息学、电子学等领域，如荧光检测仪、化学荧光免疫定量检测仪的应用、电子信号的加密解密、DNA计算等方面。
国际上关于制备微流控芯片低压检测分离蛋白质的研究不多，相关专利也鲜有报道，到目前为止已有一些文献采用如下的制备方法：(1)Urresti等在《MicroelectronicsReliability》杂志2005,45,1181-1186报道了一种新型的在带有四层掺杂轮廓芯片建立横向击穿瞬态电压抑制器，其在低电压范围内有重要应用；(2)Xu等在《Analytical andBioanalytical Chemistry》杂志2009,394,1947-1953报道了一种新型的利用低电压诱导微流控芯片检测氨基酸的方法技术，结果表明，苯丙氨酸和赖氨酸的混合样品可在7分钟内完成有效分离；(3)Kim等在《Analytical Chemistry》杂志2007,79,7761-7766报道了在微流控蒸发器上施加一持续的较低直流电压(7-15V)发现了人类慢性白血病K562细胞的电渗透行为；(4)Guido等在《Microelectronic Engineering》杂志2012,98,707-710报道开发了一类能在微流体平台上持续供应直流电压的哺乳动物细胞电穿孔系统，利用该系统可在超低电压(<2V)下观察到酵母细胞的电渗透行为。
以上所列相关的低电压微流控芯片制备方法，普遍工艺复杂，操作条件苛刻，芯片需与多种电压及检测装置联用，生产成本和能耗较高，生产效率偏低，常常需要几周时间才能完成芯片的制备和检测，限制了它们的应用。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有的低电压微流控芯片存在工艺复杂，操作条件苛刻，生产成本和能耗较高，生产效率偏低的问题，进而提供一种便携式微流控芯片电泳检测装置，其易于携带、工艺设备简单，重复性好，原料价格低廉，具有明显的低成本的优点。
本发明另一目的是提供利用上述便携式微流控芯片电泳检测装置进行检测蛋白质的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种便携式微流控芯片电泳检测装置，包括微流控芯片和电路板，所述电路板设置有USB接口，所述的电路板通过USB接口与电源连接为微流控芯片提供低压电源；
所述的微流控芯片设置有微流通道，待检测物质在所述微流通道内发生分离后通过电化学工作站进行检测。
所述的微流控芯片设置有相互连通的样品池、缓冲池和检测池，所述的样品池、缓冲池和检测池通过流通道实现相互连通。
所述的微流控通道包括彼此相互连通的横向微流控通道和纵向微流控通道，所述样品池和缓冲池分别为两个，所述样品池设置在所述和纵向微流控通道的两端，所述缓冲池设置在所述横向微流控通道的两端，所述检测池设置在所述两个缓冲池之间。
所述的电路板上设置有分别与所述USB接口电导通的供压线和接地线，其中一个所述的样品池、缓冲池和检测池分别与所述的供压线电导通，另一个所述的样品池和缓冲池分别与所述的接地线电导通。
所述微流控通道的有效分离长度为25-200mm，直径为50-375μm。
所述便携式微流控芯片电泳检测装置还包括封装盖，所述的封装盖与电路板形成封闭区域，所述的微流控芯片设置在所述的封闭区域内，所述样品池、缓冲池和检测池的一端贯穿所述微流控芯片，另一端穿过所述封装盖。
所述的微流控芯片和封装盖分别设置有相对应的第一微流通道和第二微流通道，所述第一微流通道和第二微流通道共同构成微流通道。
所述的微流控通道设置在微流控芯片靠近所述电路板的一侧，所述供压线设置在所述电路板靠近所述微流控芯片的一侧。
一种采用所述便携式微流控芯片电泳检测装置检测的方法，包括下述步骤：
将所述便携式微流控芯片电泳检测装置与输出电压为4.5-12V的低压电源连接后，将pH值为3-8的磷酸缓冲溶液体系置于样品池、缓冲池和检测池中，所述检测池与电化学工作站连接，并向样品池中加入温度为20-40℃，浓度为0.1-1.0mg/mL蛋白质混合液，采用电化学工作站记录实验开始至1.5-6min时的检测信号。
所述电化学工作站的电极置于所述检测池中，所述的电极为三电极检测模式，所述三电极包括参比电极Ag/AgCl，辅助电极Pt，和工作电极A u。
所述的低压电源为电脑。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置，包括微流控芯片和电路板，所述电路板设置有USB接口，所述的电路板通过USB接口与电源连接为微流控芯片提供低压电源；所述的微流控芯片设置有微流通道，待检测物质在所述微流通道内发生分离后通过电化学工作站进行检测。便携式微流控芯片电泳检测装置可直接从USB接口取电，可以采用4.5-12V的低压电源，能耗低，小巧易携带。
(2)本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置的所述微流控通道的有效分离长度为25-200mm，直径为375μm，采用4.5-12V的低压电源可即可使蛋白质和其他生化样品、生化小分子分离，使用该装置检测条件为：环境温度为20-40℃，磷酸缓冲溶液体系pH值为3-8，蛋白质混合样品的浓度范围为0.1-1.0mg/mL，测试时间为2min左右，通过电化学工作站采集数据，实现快速检测，因此简单易操作。
(3)本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置仅需两三天的时间即可完成制备，工艺设备简单，重复性好，原料价格低廉，具有明显的低成本优势。
(4)发明的便携式微流控芯片电泳检测装置解决了常规检测检测分离仪器如毛细管电泳仪等高压危险、不方便携带、检测时间长、成本高等存在的问题，克服了只能高电压检测，电源及检测仪器笨重等困难。
(5)常规的蛋白质检测分离装置毛细管电泳仪笨重、体积大、不方便携带，而U盘型微流控芯片电泳装置质量仅为12g，小巧轻便，易携带，可用性更大；在同样最优实验条件:室温25℃，pH＝6.0，40mmol/L的磷酸缓冲溶液体系中检测分离0.5mg/mL牛血清蛋白、细胞溶菌酶、细胞色素C蛋白质混合样品下，毛细管电泳仪需20kV电压约10min完成检测过程，而U盘型微流控芯片电泳装置仅需约5V电压约2min检测分离三种蛋白质混合样品，且分离效果较好。
附图说明
图1是本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置的透视结构示意图；
图2是本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置的爆炸图；
图3是图1中微流控芯片的仰视图；
图4是图1中电路板的结构示意图；
图5是实施例1的分离效果图；
图6是为毛细管电泳仪和本发明便携式微流控芯片装置相同条件下的蛋白质分离检测对比图；
其中附图标记：1-微流控芯片，2-电路板，3-样品池，4-缓冲池，5-检测池，6-USB接口，7-供压线，8-微流通道，81-第一微流通道，82-第二微流通道，9-封装盖，10-接地线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
蛋白质分离检测电流-时间曲线由CHI-832C电化学工作站测得。
如图1和图2所示，本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置，包括微流控芯片1和电路板2，所述电路板2设置有USB接口6，所述的电路板2通过USB接口6与电源连接为微流控芯片1提供低压电源；
如图3所示，所述的微流控芯片1设置有微流通道8，待检测物质在所述微流通道8内发生分离后通过电化学工作站进行检测。
所述的微流控芯片1设置有相互连通的样品池3、缓冲池4和检测池5，所述的样品池3、缓冲池4和检测池5通过流通道8实现相互连通。
所述的微流控通道8包括彼此相互连通的横向微流控通道和纵向微流控通道，所述样品池3和缓冲池4分别为两个，所述样品池3设置在所述和纵向微流控通道的两端，所述缓冲池4设置在所述横向微流控通道的两端，所述检测池5设置在所述两个缓冲池4之间。
如图4所示，所述的电路板2上设置有分别与所述USB接口6电导通的供压线7和接地线10，其中一个所述的样品池3、缓冲池4和检测池5分别与所述的供压线7电导通，另一个所述的样品池3和缓冲池4分别与所述的接地线10电导通。所述样品池3、缓冲池4和检测池5统称为储液池，所述的各个储液池都分别通过铜丝与电路板上相对应位置相连，铜丝通过锡焊焊接到电路板上。
所述微流控通道的有效分离长度为25-200mm，直径为50-375μm，优选为375μm。
所述便携式微流控芯片电泳检测装置还包括封装盖9，所述的封装盖9与电路板2形成封闭区域，所述的微流控芯片1设置在所述的封闭区域内，所述样品池3、缓冲池4和检测池5的一端贯穿所述微流控芯片1，另一端穿过所述封装盖9。所述的微流控通道8设置在微流控芯片1靠近所述电路板2的一侧，所述供压线7设置在所述电路板2靠近所述微流控芯片1的一侧。
作为优选的实施方式，所述的微流控芯片1和封装盖9分别设置有相对应的第一微流通道81和第二微流通道82，所述第一微流通道81和第二微流通道82设置在微流控芯片1和封装盖9的相对的一侧，当将微流控芯片1和封装盖9组装到一起是，第一微流通道81和第二微流通道82共同构成微流通道8。本发明的封装盖采用透明材质，作为其他实施方式，也可以采用不透明材质。
本发明所述的述便携式微流控芯片电泳检测装置的制备方法如下：
S1、制备微流控芯片1
先用模板浇铸法将硅橡胶与硅橡胶固化剂以10:1的比例混合并充分搅拌，倒入带有十字通道的模板内加热固化成型，将样品池3、缓冲池4和检测池5放置于预定位置后，再将硅橡胶与硅橡胶固化剂以10:1的比例混合并充分搅拌，倒入带有除去十字通道的模板内加热固化成型，得到硅橡胶微流控芯片，其中微通道直径为375μm，有效分离长度分别为25,45,65mm；使所述样品池3、缓冲池4和检测池5的一端贯穿所述微流控芯片1。
S2、制备电路板2
用干膜刻蚀法对铜板上的干膜进行紫外曝光、显影、刻蚀完成对电路板的制备；
S3、封装
最后用浇铸法对微流控芯片和电路板进行封装形成封装盖，并在其电路的一端焊接USB接头完成对U盘型微流控芯片电泳装置的制备(如图1)，所述样品池3、缓冲池4和检测池5的另一端穿过所述封装盖。
一种采用所述便携式微流控芯片电泳检测装置检测的方法，包括下述步骤：
将所述便携式微流控芯片电泳检测装置与输出电压为4.5-12V的低压电源连接后，将pH值为3-8的磷酸缓冲溶液体系置于样品池3、缓冲池4和检测池5中，所述检测池5与电化学工作站连接，并向样品池3中加入温度为20-40℃，浓度为0.1-1.0mg/mL蛋白质混合液，采用电化学工作站记录实验开始至1.5-6min时的检测信号。最优检测条件为：室温25℃，其中温度过高会导致蛋白质溶液的变质，温度过低难以控制操作温度，pH＝6.0，40mmol/L的磷酸缓冲溶液体系，其中pH过高和过低都会引起蛋白质的变质，导致检测结果不准确，0.5mg/mL的牛血清蛋白、细胞溶菌酶和细胞色素C三种蛋白质混合样品，其中样品浓度太低会使信号减弱，浓度太高会使该装置失去微检测的意义，一般检测过程可在2min左右完成。
本发明所用的信号检测方式为电化学检测，所述电化学工作站的电极置于所述检测池5中，所述的电极为三电极检测模式，所述三电极包括参比电极Ag/AgCl，辅助电极Pt，和工作电极A u。所述的低压电源为电脑。当不同的蛋白质样品电泳至电极位置时，电化学分析仪就会出现相应的信号响应，此处重点观察记录电流-时间曲线。
具体地，利用本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置进行蛋白质的检测分离，首先将该装置的USB接口6插入到电脑USB接口处，注入1.5μL蛋白质标准样品到两个样品池3中将3mL浓度为40mmol/L的磷酸缓冲溶液注入到缓冲池4中，将电化学工作站的电极置于检测池5中，所述的电极为三电极检测模式，所述三电极包括参比电极Ag/AgCl，辅助电极Pt，和工作电极Au。，此时所述便携式微流控芯片电泳检测装置从电脑USB接口获得电压后，蛋白质标准样品通过电压的作用慢慢电泳到微流通道8中，微流通道8两端连通的样品池3中的蛋白质标准样品开始在磷酸缓冲溶液体系中电泳分离，打开电化学工作站进行电流-时间曲线信号的记录。微流控芯片1的微流通道8的有效分离长度对样品分离完成时间和效果有一定的影响，在上述操作方法下对不同分离长度下的微流控芯片1进行蛋白质电泳分离，在得到相似的分离效果后决定采用较短的25mm有效分离长度的微通道制备微流控芯片，此时得到的微电泳装置美观小巧，易携带，且分离蛋白质样品效果良好。
本申请的发明人还对检测目标物、样品浓度、缓冲溶液体系酸碱度、检测温度等条件进行了探索，结果发现本发明的便携式微流控芯片电泳检测装置能够对牛血清蛋白、细胞溶菌酶、细胞色素C、多巴胺、尿酸等具有较好的检测效果，检测条件为室温25℃，pH＝6.0，40mmol/L的磷酸缓冲溶液体系中进行分离，效果最佳。
检测对象的筛选
本实施例的便携式微流控芯片电泳检测装置的所述微流控通道的有效分离长度为25mm直径为375μm。根据该装置的操作方法对浓度为0.5mg/mL的以下几种蛋白质混合样品室温下pH＝6，40mmol/L磷酸缓冲溶液体系中进行分离，这几种蛋白质分别是牛血清蛋白、细胞溶菌酶、细胞色素C、核糖核酸苷霉酶和肌红蛋白。由此可得到这五种蛋白质的检测分离图，但可能由于核糖核酸苷霉酶和肌红蛋白相对其他三种蛋白质所携带电荷较大分离速度慢，或不适合电化学检测方式进行检测分离，在短时间内得到的分离图谱这两种物质的电化学信号极弱，因而只可以用该微装置较好的测试牛血清蛋白、细胞溶菌酶、细胞色素C三种蛋白质混合样品，分离效果见图6A所示，其中采用毛细管电泳仪在20kV电压下的检测结果见图6B从图6的曲线A和曲线B中可以看出，同样25℃在40mmol/L磷酸缓冲溶液分离0.5mg/mL的三种蛋白质，毛细管电泳仪所用时间约为12分钟，而便携式微流控芯片电泳检测装置仅需一分多钟即可完成，大大缩短了检测时间，由分离效果可得到微流控芯片电泳装置可清晰检测到三个蛋白质信号，且分离完全，而毛细管电泳结果只实现了基本检测，同时考虑到毛细管电泳仪所用电压为20kV，而微流控芯片电泳装置只需从电脑USB接口处导入5V电压即可检测，体现了其低电压的特性，整个过程方便快速，结果清晰可靠。
磷酸缓冲溶液体系磷酸浓度的选择
本实施例的便携式微流控芯片电泳检测装置的所述微流控通道的有效分离长度为25mm直径为375μm。根据该装置的操作方法对不同浓度的牛血清蛋白、细胞溶菌酶、细胞色素C三种蛋白质混合样品在室温下，pH＝6，40mmol/L磷酸缓冲溶液体系中进行分离，测试浓度分别为0.1，0.3，0.5，0.7，0.9mg/mL，操作方法同实施例1，由此得到样品浓度对U盘型微流控芯片电泳装置分离样品的影响程度，不适宜的浓度会导致测试结果不精确，无规律性，样品浓度太低，电化学信号较弱，浓度太高峰形拥挤杂乱，且会失去微检测的意义，其中浓度0.5mg/mL较合适。
磷酸缓冲溶液体系酸碱度的选择
本实施例的便携式微流控芯片电泳检测装置的所述微流控通道的有效分离长度为25mm，直径为375μm。根据该装置的操作方法对浓度为0.5mg/mL的牛血清蛋白、细胞溶菌酶、细胞色素C三种蛋白质混合样品室温下进行分离，40mmol/L磷酸缓冲溶液体系的pH值分别为3,4,5,6,7,8，其他条件同实施例1，由此得到缓冲溶液体系酸碱度对U盘型微流控芯片电泳装置分离样品的影响程度，不适宜的pH值会导致测试结果不可靠，pH值太低或太高会使蛋白质变性导致无法正常的检测分离实验，峰形杂乱无章，失去检测蛋白质的意义，其他pH值的变化对蛋白质的检测结果影响较小，基本呈现相似规律，其中pH＝6时的峰形较好(图6A)。其中采用毛细管电泳仪在20kV电压下的检测结果见图6B。
检测温度的选择
本实施例的便携式微流控芯片电泳检测装置的所述微流控通道的有效分离长度为25mm，直径为375μm。根据该装置的操作方法对浓度为0.5mg/mL的牛血清蛋白、细胞溶菌酶、细胞色素C三种蛋白质混合样品不同实验温度下进行分离，测试温度分别为20,25,30,35,40℃，操作方法同实施例1，由此得到温度对U盘型微流控芯片电泳装置分离样品的影响程度，温度太高会导致蛋白质样品的变质从而得不到可靠的实验数据，其他室温左右温度测试时实验结果类似，室温条件易控制，从而采用25℃室温条件来进行该装置的检测分离工作。
应用例
本实施例的便携式微流控芯片电泳检测装置的所述微流控通道的有效分离长度为25mm，直径为375μm。根据该装置的操作方法对浓度为0.5mg/mL的两种生物小分子混合样品最佳实验条件下即室温25℃，pH＝6.0，40mmol/L的磷酸缓冲溶液体系中进行分离，这两种生物小分子分别是多巴胺和尿酸，实验结果如图5所示，该微装置可对生物小分子进行良好的检测分离，为在其他生化样品的检测领域提供了参考。从图5可以看出便携式微流控芯片电泳检测装置可同时检测到小分子多巴胺和尿酸的信号，且这两种小分子实现了基线分离。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种便携式微流控芯片电泳检测装置，包括微流控芯片(1)和电路板(2)，其特征在于，
所述电路板(2)设置有USB接口(6)，所述的电路板(2)通过USB接口(6)与电源连接为微流控芯片(1)提供低压电源；
所述的微流控芯片(1)设置有相互连通的样品池(3)、缓冲池(4)和检测池(5)，所述的样品池(3)、缓冲池(4)和检测池(5)通过微流通道(8)实现相互连通，待检测物质在所述微流通道(8)内发生分离后通过电化学工作站进行检测；
所述便携式微流控芯片电泳检测装置还包括封装盖(9)，所述的封装盖与电路板(2)形成封闭区域，所述的微流控芯片(1)设置在所述的封闭区域内，所述样品池(3)、缓冲池(4)和检测池(5)的一端贯穿所述微流控芯片(1)，另一端穿过所述封装盖。
2.根据权利要求1所述的便携式微流控芯片电泳检测装置，其特征在于，所述的微流控通道(8)包括彼此相互连通的横向微流控通道和纵向微流控通道，所述样品池(3)和缓冲池(4)分别为两个，所述样品池(3)设置在所述纵向微流控通道的两端，所述缓冲池(4)设置在所述横向微流控通道的两端，所述检测池(5)设置在所述两个缓冲池(4)之间。
3.根据权利要求2所述的便携式微流控芯片电泳检测装置，其特征在于，所述的电路板(2)上设置有分别与所述USB接口(6)电导通的供压线(7)和接地线(10)，其中一个所述的样品池(3)、缓冲池(4)和检测池(5)分别与所述的供压线(7)电导通，另一个所述的样品池(3)和缓冲池(4)分别与所述的接地线(10)电导通。
4.根据权利要求3所述的便携式微流控芯片电泳检测装置，其特征在于，所述微流控通道的有效分离长度为25-200mm，直径为50-375μm。
5.根据权利要求4所述的便携式微流控芯片电泳检测装置，其特征在于，所述的微流控芯片(1)和封装盖(9)分别设置有相对应的第一微流通道(81)和第二微流通道(82)，所述第一微流通道(81)和第二微流通道(82)共同构成微流通道(8)。
6.根据权利要求5所述的便携式微流控芯片电泳检测装置，其特征在于，所述的微流控通道(8)设置在微流控芯片(1)靠近所述电路板(2)的一侧，所述供压线(7)设置在所述电路板(2)靠近所述微流控芯片(1)的一侧。
7.一种采用权利要求1-6任一所述便携式微流控芯片电泳检测装置检测的方法，其特征在于，包括下述步骤：
将所述便携式微流控芯片电泳检测装置与输出电压为4.5-12V的低压电源连接后，将pH值为3-8的磷酸缓冲溶液体系置于样品池(3)、缓冲池(4)和检测池(5)中，所述检测池(5)与电化学工作站连接，并向样品池(3)中加入温度为20-40℃，浓度为0.1-1.0mg/mL蛋白质混合液，采用电化学工作站记录实验开始至1.5-6min时的检测信号。
8.根据采用权利要求7所述便携式微流控芯片电泳检测装置检测的方法，其特征在于，所述电化学工作站的电极置于所述检测池(5)中，所述的电极为三电极检测模式，所述三电极包括参比电极Ag/AgCl，辅助电极Pt，和工作电极Au；所述的低压电源为电脑。
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|---|---|---|---|---|
| CN103901025A (zh) * | 2012-12-27 | 2014-07-02 | 中国科学院烟台海岸带研究所 | 一种便携式纸基微流控芯片色彩检测装置和方法 |
| CN103194383A (zh) * | 2013-04-09 | 2013-07-10 | 湖北民族学院 | 芯片级pcr-lvce集成系统 |
| CN103316723A (zh) * | 2013-05-27 | 2013-09-25 | 苏州扬清芯片科技有限公司 | 一种微流控电泳芯片 |
| CN204945089U (zh) * | 2015-09-14 | 2016-01-06 | 青岛大学 | 一种便携式微流控芯片电泳装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Integrated circuit-based instrumentation for microchip capillary electrophoresis;M. Behnam 等;《IET Nanobiotechnology》;20100819;第91-101页 * |
| Mini-electrochemical detector for microchip electrophoresis;Lei Jiang等;《Lab on a Chip》;20150713;第930-934页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105116041A (zh) | 2015-12-02 |
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