CN105344388B - 一种微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
一种微流控芯片，微流控芯片上设有样品池、样品废液池、缓冲液池、缓冲液废液池和补充液池，分离通道的入口分别通过进样通道与样品池连通、通过缓冲液通道与缓冲液池连通、通过样品废液通道与样品废液池连通；分离通道的出口分别通过补充液通道与带有注射泵的补充液池连通、通过缓冲液废液通道与缓冲废液池连通；分离通道由至少两条相同的微通道并联而成，微通道具有折弯，入口到折弯段的各微通道相互平行，折弯到出口段的各微通道均向中心汇聚并在出口处与补充液通道和缓冲液废液通道连通，微通道和缓冲液废液通道中均设有多孔塞；使用本发明对样品进行分离并检测，具有分离效率高、检测灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉的特点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种微流控芯片。
(二)背景技术
环境和生物样品中的元素形态信息有助于人们了解它的毒性、迁移性和生物可利用性。原子光谱分析技术，特别是等离子体质谱技术，是目前痕量元素总量分析的强有力工具，但难以对环境、生物和食品等复杂基体中痕量元素的存在形态及其含量进行分析。色谱分析模式种类多样，适用范围广，是分析复杂基体中痕量元素的不同形态物种的高效手段，特别是毛细管电泳技术，具有分离效率高、速度快和样品消耗小等优点。毛细管电泳与等离子体质谱联用技术结合两者的优点，即毛细管电泳的高分离效率与等离子体质谱的高灵敏度与高元素选择性，是一种具有很大潜力的形态分析技术。微流控分析芯片具有分析效率高、试样消耗少、易于微型化和便携化等特点，是当前化学和生物的研究热点。毛细管电泳和等离子体质谱联用接口中的连接管路和接头可以方便地集成在芯片上，节约了制作这些管路和接头的时间和成本，并且降低了它们的连接部位的死体积，也简化联用装置。
但是，毛细管电泳与等离子体质谱联用必先设计一个有效的接口，这个接口必须兼容两者的流量，保证电泳分离与等离子体质谱测定互不干扰，同时还要使电泳流出物高效传输到等离子体质谱。设计这样的接口，需要解决的一个问题是如何降低等离子体质谱仪所使用的气动雾化器产生的自吸效应。雾化器的自吸效应会在分离毛细管中产生层流，干扰不同物种的电泳分离甚至导致分离失败。为了最大程度的降低自吸效应，一种简单有效的方法是引入补充液流。但是，由于气动雾化器的自吸流量受雾化气流量、样品溶液粘度和液体被垂直提升的距离等因素的影响，很难通过补充液流来完全匹配雾化器的自吸流量，两者间的微小差异将会对分离毛细管内的电泳过程不利。另一种方法是使用交叉流雾化器来减小自吸效应，此情况下，雾化气出口方向与样品溶液管路是垂直的，雾化器的自吸流量大大降低，因而自吸效应也大为减轻。然而，交叉流雾化器的雾化效率不高，只有10％。最近，Yang,G.,Xu,X.,Wang,W.,et al.,A new interface used to couple capillaryelectrophoresis with inductively coupled plasma mass spectrometry forspeciation analysis[J],Electrophoresis,2008,29(13):2862-2868中公开了一个毛细管电泳与等离子体质谱联用的新接口，它完全消除了雾化器自吸造成的分离毛细管内的层流现象。分离毛细管内的电泳流出物被离线收集，再由蠕动泵转移到三通接头，接着被另一蠕动泵输送的补充液流传输到雾化器并最终被等离子体质谱检测。当第一个电泳流出物转移到三通接头后，第一个蠕动泵停止运行，直至第二个电泳流出物收集完毕。由于分离毛细管和雾化器被第一个蠕动泵隔离开，当它停止运行时，完全消除了雾化器的自吸效应对电泳分离的影响。但是该联用接口仅适用于迁移时间差异大于20s的物种，否则两种分析物的电泳峰会发生重叠。
除了自吸效应，毛细管电泳与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题是接口的灵敏度。等离子体质谱所用的常规雾化器的进样流量一般为0.5-2mL/min，采用微量雾化器的进样流量一般为5-100μL/min，这都远远超过毛细管电泳的流速(亚μL/min水平)，因此绝大部分的接口使用大流量的鞘流液来平衡两者的流量差。然后在分离毛细管后引入鞘流液会大量稀释分析物的浓度，使联用接口的灵敏度显著下降。另一方面，毛细管电泳的进样量一般为数纳升至数十纳升，而等离子体质谱又是一个质量型检测器(即灵敏度与进样量相关)，这也导致联用方法的灵敏度雪上加霜。由于金属形态物种在生物、环境等基体中含量较低，使用传统毛细管电泳与等离子体质谱联用系统直接检测它们十分困难。为降低联用系统的检出限，可采用改进联用接口、离线或在线样品富集、增加进样量等方法。改进联用接口的手段有氢化物发生进样，但其应用范围有限(仅限于As、Sn、Hg等能形成氢化物的元素)。离线或在线样品富集方法效果较好，但是装置相对复杂，耗时较长。增加进样量可以成比例地改善灵敏度，但是会牺牲分离度；而且毛细管电泳分离的样品带一般不能超过分离通道的1/10，否则将导致分离失败，这限制了增加进样量方法的效果。
此外，毛细管电泳与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题是接口的死体积。接口的死体积越大，分析物在此停留的时间越长，电泳峰的扩宽越严重，降低分离效率和检测灵敏度。现有的毛细管电泳与等离子体质谱联用接口一般采用两通、三通或者四通来连接高压电极、分离毛细管、鞘流液管路及雾化器，它们的死体积少则数十纳升，多则数微升，易导致电泳峰的扩宽。
(三)发明内容
为解决上述问题，本发明的是提供一种可与等离子体质谱联用的微流控芯片。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微流控芯片，所述微流控芯片上设有样品池、样品废液池、缓冲液池、缓冲液废液池和补充液池，分离通道的入口分别通过进样通道与样品池连通、通过缓冲液通道与缓冲液池连通、通过样品废液通道与样品废液池连通；分离通道的出口分别通过补充液通道与带有注射泵的补充液池连通、通过缓冲液废液通道与缓冲废液池连通；
其特征在于：
所述分离通道由至少两条相同的微通道并联而成，所述微通道具有折弯，入口到折弯段的各微通道相互平行，折弯到出口段的各微通道均向中心汇聚并在出口处与补充液通道和缓冲液废液通道连通，所述微通道和所述缓冲液废液通道中均设有多孔塞；
进一步，各微通道在出口处汇聚成一根出口管，所述出口管与补充液通道的一侧连通，补充液通道的另一侧与排液通道连通，补充液通道的一端和补充液池相连，另一端穿过出孔。
进一步，所述微通道的入口依次与进样通道的一侧相连通，所述进样通道的另一侧与缓冲液通道连通，所述进样通道的入口端与样品池连接，所述进样通道的出口端与样品废液通道连接。
进一步，所述缓冲液通道和所述缓冲液废液通道内均设有铂丝，所述铂丝贯穿所述缓冲液通道和所述缓冲液废液通道。
本发明设有至少两条(假设为n条)微通道，微通道相同且相互并联，每条微通道内的进样量、电场强度、电渗流速等均相等，各微通道能同时进行电泳分离，电泳分离的总流量为单条微通道的n倍，提高了电泳分离的效率，采用压力辅助电动进样时，每条微通道可以进相同体积的样品，而且各微通道内分析物的运行速率相同，能保证它们在相同时刻流出微通道时，避免了柱后汇集引起电泳峰扩宽；总进样量为单条微通道的n倍，试样总量增加，减少了补充液的流量，提高了等离子体质谱检测的灵敏度。
由于微通道的尺寸及内表面相同，施加的电场强度也相同，每条分离通道的进样量和分析效率也相同，使相同分析物在相同时刻流出分离通道并在柱后汇集，防止样品区带扩宽。分离通道柱后汇集使得芯片电泳的柱后流速也成n倍增加，减少补充液的流量，提高了等离子体质谱检测的灵敏度。同时，分离通道的长度和条数可以根据不同的分析对象改变。
所述的缓冲液通道和缓冲液废液通道内均插入一根比通道略长的铂丝，由于铂丝的导电性能极佳，当高电压施加在缓冲液池和缓冲液废液池时，缓冲液通道和缓冲液废液通道几乎不会分压，使高电压全部分在每条微通道上，保证每条微通道的电压相同。
所述的微通道的入口处均设有多孔塞；多孔塞对压力流的阻力很大，而对电渗流阻力极小。被分析的样品可以在电渗流的驱动下，进入分离通道电泳分离，防止在压力驱动的补充液流倒流进入分离通道，影响电泳分离；同时也防止等离子体质谱的雾化器自吸对电泳分离产生副作用。将进样、分离和检测隔离开来，获得较好的分离度。
本发明的末端有一个深3mm、内径0.35mm的出孔，用于穿过转移毛细管，且间隙以环氧树脂胶密封，该转移毛细管与等离子体质谱的雾化器进样毛细管连接，从而有效地将芯片电泳的流出液注入等离子体质谱及其他原子光谱检测器检测。
本发明的材料为石英、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等聚合物材料。
本发明适用于质谱检测和原子光谱检测(如原子吸收、原子发射和原子荧光检测)。
本发明通过改变补充液通道内补充液的流速，以平衡不同检测器的流速。补充液可以采用静压力流驱动或者外置液流泵驱动。
本发明的有益效果是：总进样量和电泳总流速均提高至n倍，保证了毛细管电泳的高分离效率和后续检测设备的高灵敏度。具有分离效率高、检测灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉的特点。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明构建的芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统的结构示意图。
图3是Li、Co、Cd和Tl四种金属离子在经过由不同数量的微通道组成的分离通道的微流控芯片所得到的信号强度图；
图4是碘离子和碘酸根在不同微通道数的微流控芯片上分离所得的电泳图；
图中：1－微流控芯片，2－负压泵，3－铂丝，4－多孔塞，5微通道，6－高压电源，7－注射泵，8－转移毛细管，9－四氟管，10－进样毛细管，11－雾化器，12－适配器，13－单通道雾化室，14－加热丝，15－调压器，16－等离子体质谱仪，17－微型三通阀；B－缓冲液池，BW－缓冲液废液池，S－样品池，SW－样品废液池，M－补充液流，T－出孔。
(五)具体实施方式
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
一种微流控芯片，所述微流控芯片上设有样品池S、样品废液池SW、缓冲液池B、缓冲液废液池BW和补充液池M，分离通道P-P0的入口分别通过进样通道S-P与样品池S连通、通过缓冲液通道B-P与缓冲液池B连通、通过样品废液通道SW-P与样品废液池SW连通；分离通道P-P0的出口分别通过补充液通道与带有注射泵的补充液池连通、通过缓冲液废液通道M-P0与缓冲废液池M连通；
所述分离通道P-P0由至少两条相同的微通道5并联而成，所述微通道具5有折弯，入口P到折弯段的各微通道5相互平行，折弯到出口P0段的各微通道5均向中心汇聚并在出口P0处与补充液通道M-P0和缓冲液废液通道P0-BW连通，所述微通道5和所述缓冲液废液通道P0-BW中均设有多孔塞4；
进一步，各微通道5在出口处P0汇聚成一根出口管，所述出口管与补充液通道M-P0的一侧连通，补充液通道M-P0的一端和补充液池M相连，另一端穿过出孔T。
进一步，所述微通道5的入口P依次与进样通道S-P的一侧相连通，(微通道有n条，且n≥2，微通道5的入口依次与进样通道S-P相交于P1、P2…..Pn，为叙述方便，此时选取中心点并命名为P来等效代替P1、P2…..Pn)，所述进样通道S-P的另一侧与缓冲液通道B-P连通，所述进样通道S-P的入口端与样品池S连接，所述进样通道S-P的出口端与样品废液通道SW-P连接。
所述缓冲液通道B-P和所述缓冲液废液通道BW-P0内均设有铂丝3，所述铂丝3贯穿所述缓冲液通道B-P和所述缓冲液废液通道BW-P0，即缓冲液通道B-P内的铂丝3长于所述缓冲液通道B-P，所述缓冲液废液通道BW-P0内的铂丝3长于所述缓冲液废液通道BW-P0。
利用本发明构建的一种芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统，并进行样品分析：
实施例1
参照图1-图3：
一种芯片电泳分离和等离子体质谱分析系统，包括相配合的电泳分离部和检测部，所述电泳分离部包括微流控芯片1，所述微流控芯片1上设有样品池S、样品废液池SW、缓冲液池B、缓冲液废液池BW和补充液池M，所述检测部包括相配合的雾化器11和等离子体质谱仪16；
分离通道P-P0的入口P分别通过进样通道S-P与样品池S连通、通过缓冲液通道B-P与缓冲液池B连通、通过样品废液通道SW-P与样品废液池SW连通；分离通道P-P0的出口P0分别通过补充液通道M-P0与带有注射泵7的补充液池M连通、通过缓冲液废液通道BW-P0与缓冲废液池BW连通、通过排样通道与检测部连接；
所述分离通道P-P0由至少两条相同的微通道5并联而成，所述微通道5具有折弯，入口到折弯段的各微通道5相互平行，折弯到出口段的各微通道5均向中心汇聚并在出口P0处与补充液通道M-P0、缓冲液废液通道BW-P0和排样通道连通，所述排样通道通过雾化器11和等离子体质谱仪16相连，所述微通道5和所述缓冲液废液通道BW-P0中均设有多孔塞4；
所述样品废液池SW通过微型三通阀17与负压泵2相连，所述缓冲液池B和所述缓冲液废液池BW的两端分别与高压电源6的正、负极相连。
进一步，所述负压泵2包括相互配合的真空瓶、电触点真空表、微型真空泵及时间继电器，所述真空瓶与微型三通阀17的第一端口a相连，所述微型三通阀17的第二端口b与大气相通，所述微型三通阀17的第三端口b依次通过聚四氟乙烯管和硅橡胶管与样品废液池SW连通，所述聚四氟乙烯管和硅橡胶管的管口高于所述样品废液池SW的液面。
进一步，各微通道5在出口P0处汇聚成一根出口管，所述出口管与补充液通道M-P0的一侧连通，补充液通道M-P0的另一侧与排样通道连通，补充液通道M-P0的一端和补充液池M相连，另一端与缓冲液废液通道BW-P0相连。
进一步，所述微通道5的入口P依次与进样通道S-P的一侧相连通，所述进样通道S-P的另一侧与缓冲液通道B-P连通，所述进样通道S-P的入口端与样品池S连接，所述进样通道S-P的出口端与样品废液通道SW-P连接。
进一步，所述缓冲液通道B-P和所述缓冲液废液通道BW-P0内均设有铂丝3，所述铂丝3贯穿所述缓冲液通道B-P和所述缓冲液废液通道BW-P0。即缓冲液通道B-P内的铂丝3长于所述缓冲液通道B-P，所述缓冲液废液通道BW-P0内的铂丝3长于所述缓冲液废液通道BW-P0。
进一步，所述排样通道包括近端相连的转移毛细管8和四氟管9，所述转移毛细管8的远端与分离通道P-P0和补充液通道M-P0相连，所述四氟管9的远端与雾化器11相连，所述雾化器11通过适配器12与单通道雾化室13相连，所述单通道雾化室13与等离子体质谱仪16相连。
参见图1，微流控芯片1上有缓冲液池B、缓冲液废液池BW、样品池S、样品废液池SW、补充液池M、出孔T；其中，微流控芯片1进样通道为S-P，缓冲液通道为B-P，样品废液通道为SW-P，分离通道为P-P0，缓冲液废液通道BW-P0，补充液通道为M-P0；其中缓冲液通道B-P、分离通道P-P0、样品废液通道SW-P与进样通道S-P相交于P(当微通道有n条，且n>1时，微通道5的入口依次与进样通道S-P相交于P1、P2…..Pn，为叙述方便，此时选取中心点并命名为P来等效代替P1、P2…..Pn)，分离通道P-P0包括至少两条微通道5。分离通道P-P0、补充液通道M-P0、缓冲液废液通道BW-P0以及穿过出孔T的转移毛细管8相交于P0。微型三通阀17的第二端口b直接与大气相通，c端口通过聚四氟乙烯管和硅橡胶管和样品废液池SW相连，插入废液池SW的聚四氟乙烯管和硅橡胶管始终保持不与样品废液池SW内的电泳缓冲液的液面相接触，同时保证接口的气密性。补充液池M通过聚四氟乙烯管与注射泵7的注射器针头连接，间隙用环氧树脂胶密封。转移毛细管8与雾化器11的进样毛细管10通过四氟管9无缝连接，雾化器11通过适配器12与单通道雾化室13连接，单通道雾化室13缠绕加热丝14并通过调压器15控制加热电压。
在微流控芯片1上的样品池S中加入样品溶液，在缓冲液池B、样品废液池SW、缓冲液废液池BW中加入不同体积的电泳缓冲液。
首先设定负压泵2的真空范围和内置的时间继电器的进样时间，接通负压泵2的电源，使负压泵2产生设定真空范围的负压。当负压泵2的压力达到设定真空度上限时，负压泵2内置的微型真空泵关闭，当负压泵2的压力低于设定真空度下限时，负压泵2内置的微型真空泵启动，使瓶内真空度稳定在设定范围内。
样品池S、样品废液池SW、缓冲液池B距离入口P的距离均为8.0mm，分离通道P-P0的长度为40.0mm，微流控芯片1上各通道均为30μm深，100μm宽。在微流控芯片1上的样品池S中加入7Li、59Co、111Cd、205Tl四种金属离子的样品溶液，在缓冲液池B、样品废液池SW和缓冲液废液池BW加入不同体积的电泳缓冲液(5mM NaAc+HAc pH 4.5)。保持样品池S中液面的高度小于缓冲液池B的液面高度，样品废液储液池SW中的液面高度小于样品池S中液面的高度。设置注射泵7的流速为5μL/min，启动注射泵7输送补充液(0.1％HNO3)经补充液池M流入补充液通道M-P0，高压电源6为1000V。
设置进样时间为2s，2s后开启微型三通阀21的b端和c端。由于b端直接与大气相通，从而使样品废液池SW与大气相通，样品废液池SW与其它液池之间的压力差立即同时消失，微流控芯片1上样品池S中的样品溶液和缓冲液池B中的缓冲液在负压的作用下向样品废液池SW流动，由于设有多孔塞的分离通道P-P0和缓冲液废液通道BW-P0对压力流的阻力很大，而对电渗流阻力很小，因此样品溶液可以在电渗流的驱动下，进入分离通道P-P0的各条微通道5内，而补充液池M和缓冲液废液池BW中的溶液不会通过分离通道P-P0而流入样品废液池SW。与此同时，样品溶液在入口P处时，被加在分离通道P-P0间电场的驱动进入分离通道P-P0的各条微通道5内，且进入各条微通道5的样品量相等，并与时间继电器的进样时间成正比。电泳分离后的待测组分在出口P0处汇集，并被来自补充液池M的补充液流驱动经转移毛细管8和四氟管9进入雾化器11雾化形成湿气溶胶，湿气溶胶经单通道雾化室13时快速去溶得到干气溶胶后进入等离子体质谱16检测得到不同质量数(7Li、59Co、111Cd、205Tl)时相应的电泳峰，本发明的分离通道P-P0分别采用2、4、8、12、16和20条微通道，并与只有1条微通道的芯片电泳分离和等离子体质谱分析系统(除了只设有一条微通道外，其他均与本发明相同)相比较，对每个质量数的电泳峰取峰高并与微通道数量作图，如图3所示。
实施例2
参照图1、图2和图4：
在实施例1所述的一种芯片电泳分离和等离子体质谱分析系统中的样品池S中加入含有碘离子和碘酸根的样品溶液，在缓冲液池B、样品废液池SW和缓冲液废液池BW中加入不同体积的电泳缓冲液(5mM硼砂pH 9.2)。保持样品池S中液面的高度小于缓冲液池B的液面高度，样品废液池SW中的液面高度小于样品池S的液面高度。高压电源为2000V，设置注射泵7的流速为5μL/min，启动注射泵7输送补充液(0.1％HNO3)经补充液池M流入补充液通道。
在进样阶段，开启负压泵2内置的三通阀的b端和c端，负压泵2内置的真空瓶通过聚四氟乙烯管和样品废液池SW相通，使样品废液池SW上方形成小于大气压的负压，微流控芯片1上样品池S中样品溶液和缓冲液池B中的缓冲液在负压的作用下向样品废液池SW流动，由于设有多孔塞4的分离通道P-P0和缓冲液废液通道BW-P0对压力流的阻力很大，而对电渗流阻力很小，因此样品溶液可以在电渗流的驱动下，进入分离通道P-P0的各条微通道5内，而补充液池M和缓冲液废液池BW中的溶液不会通过分离通道P-P0而流入样品废液池SW。与此同时，样品溶液在入口P处时，被加在分离通道P-P0间电场的驱动进入分离通道P-P0的各条微通道5，进入各条微通道5的样品量相等，且与时间继电器的进样时间成正比。电泳分离后的待测组分在出口P0处汇集，并被来自补充液池M的补充液流驱动经转移毛细管8和四氟管9进入雾化器11雾化形成湿气溶胶，湿气溶胶经单通道雾化室13时快速去溶得到干气溶胶后进入等离子体质谱16检测。本发明的分离通道P-P0分别采用2、4、8、12、16和20条微通道，并与只有1条微通道的芯片电泳分离和等离子体质谱分析系统(除了只设有一条微通道外，其他均与本发明相同)相比较，得到对应127I质量数的电泳峰，如图4所示。
本实施例其他实施方式均与实施例1相同。
Claims (4)
1.一种微流控芯片，所述微流控芯片上设有样品池、样品废液池、缓冲液池、缓冲液废液池和补充液池，分离通道的入口分别通过进样通道与样品池连通、通过缓冲液通道与缓冲液池连通、通过样品废液通道与样品废液池连通；分离通道的出口分别通过补充液通道与带有注射泵的补充液池连通、通过缓冲液废液通道与缓冲废液池连通；
其特征在于：
所述分离通道由至少两条相同的微通道并联而成，所述微通道具有折弯，入口到折弯段的各微通道相互平行，折弯到出口段的各微通道均向中心汇聚并在出口处与补充液通道和缓冲液废液通道连通，所述微通道和所述缓冲液废液通道中均设有多孔塞。
2.如权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于：各微通道在出口处汇聚成一根出口管，所述出口管与补充液通道的一侧连通，补充液通道的另一侧与排液通道连通，补充液通道的一端和补充液池相连，另一端穿过出孔。
3.如权利要求2所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述微通道的入口依次与进样通道的一侧相连通，所述进样通道的另一侧与缓冲液通道连通，所述进样通道的入口端与样品池连接，所述进样通道的出口端与样品废液通道连接。
4.如权利要求3所述的一种微流控芯片，其特征在于：所述缓冲液通道和所述缓冲液废液通道内均设有铂丝，所述铂丝贯穿所述缓冲液通道和所述缓冲液废液通道。
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