CN106345541A - 一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置及方法 - Google Patents

一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，包括玻璃片，该玻璃片上设置四个内凹槽，还设置有第一通道，第一通道两端分别经四条第二通道连通四个内凹槽，连通于第一通道一端的两个内凹槽分别设置为样品槽和萃取溶剂槽，该样品槽和萃取溶剂槽分别连接注射泵，连通于第一通道另一端的两个内凹槽分别设置为废液槽和集成槽；该玻璃片上还设置有电泳槽，集成槽经第三通道连通该电泳槽，第三通道两侧分别设置有第一分离槽和第二分离槽，该第一分离槽和第二分离槽之间经第四通道互相连通；还包括用于施加电压的电力机构。本发明还公开了一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控方法。本发明有利于减小误差，提高检测结果的精准度。

Description

一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置及方法
技术领域
本发明涉及，具体涉及一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置及方法。
背景技术
现有的样品分析测定、数据处理已有很多现代化的分析仪器可以处理完成，如气相色谱、高效液相色谱、毛细管电泳技术等，这些技术自动化程度高，速度快。而样品前处理多仍需手工参与，操作繁琐，重现性差，且所需时间最长,约占整个分析时间的三分之二。现有的微流控芯片萃取方法中，通常离线收集萃取所得物，再利用其它分离检测方法进行分离检测。该过程操作繁琐，样品萃取后由收集到检测过程会造成部分样品的损失，使最终检测结果出现误差，造成检测结果的不准确。
微流控芯片是上世纪90年代起开始发展的一种新型分析技术，其目的是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。芯片电泳是微流控芯片最早期发展形势，至今仍是微流控芯片分离方式的主体部分。将芯片液液萃取和芯片电泳分离检测集成到同一块芯片上的方法和应用研究少见报道。
中国专利申请CN200610049115.5公开了一种液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片及其制备方法，芯片由上、中、下三层玻璃及夹在中下层玻璃之间的高聚物微孔膜所构成。通过分步刻蚀、分步键合的加工工艺，把由中、下层玻璃和高聚物膜组成的“三明治”式支持液膜萃取反萃取单元，和由上、中玻璃组成的电泳分离单元构建到该四层结构的芯片之上。采用纵向的分流式接口，将处于不同层面上的分析单元耦联成一个三维通道网络，形成一个具有萃取反萃取试样预处理功能的集成化毛细管电泳芯片。但该技术方案中的萃取部分以高聚物微孔膜为辅助结构的三层玻璃，制作方法复杂，并且高聚物在有机溶剂中易于溶胀，该装置不适用于水相和有机相之间的双相萃取。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置及方法，结构简单，所有通道在一块玻璃片上刻蚀完成，制作方便，从萃取到电泳无需添加管道转移，有利于提高检测结果的精确度，实现在线样品萃取、富集、分离与检测的集成化分析功能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，包括玻璃片，该玻璃片上设置四个内凹槽，该四个内凹槽之间形成一四边形的空间，该四边形的空间内设置有沿该四边形空间的长度方向延伸的第一通道，刻蚀于玻璃片上的第一通道两端分别经四条第二通道就近连通四个内凹槽，连通于第一通道一端的两个内凹槽分别设置为用于放置待萃取样品的样品槽和用于放置萃取溶剂的萃取溶剂槽，该样品槽和萃取溶剂槽分别连接注射泵，连通于第一通道另一端的两个内凹槽分别设置为用于放置完成萃取样品的废液槽和用于收集萃取成品的集成槽，其中萃取溶剂槽与集成槽位于第一通道的同一侧，连通萃取溶剂槽与第一通道、以及连通集成槽与第一通道的两个第二通道内表面均经硅烷化处理，第一通道靠近萃取溶剂槽与集成槽的一侧内表面经硅烷化处理，经过硅烷化处理的两个第二通道与第一通道一侧内表面具有憎水性；该玻璃片上还设置有作为电泳槽的第五个内凹槽，集成槽经第三通道连通该电泳槽，刻蚀于玻璃片上的第三通道两侧分别设置有第一分离槽和第二分离槽，该第一分离槽和第二分离槽之间经刻蚀于玻璃片上的第四通道互相连通；
还包括用于施加电压的电力机构。
进一步地，对第一通道分别连通萃取溶剂槽与集成槽的两个第二通道、与第一通道一侧进行硅烷化处理的方法包括：各通道内表面干燥与干净，分别往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽内加入超纯水，该超纯水在毛细作用下充满第三通道与第四通道；往样品槽内输入有机溶剂、使该有机溶剂充满第一通道与第二通道，往萃取溶剂槽内输入硅烷化试剂，所述有机溶剂与硅烷化试剂在第一通道中形成层流；保持层流状态20分钟后，停止输入硅烷化试剂、继续输入有机溶剂，待有机溶剂将第一通道内的硅烷化试剂排出后、停止输入有机溶剂；对第一通道和第二通道进行冲洗。
优选地，输入有机溶剂的流速为5μL/min。
优选地，该有机溶剂为正丁醇溶液，该硅烷化试剂为含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液，采用甲醇溶液对第一通道和第二通道进行冲洗。
进一步地，玻璃片的底面上还设置有加热片，该加热片位于集成槽的正下方。
优选地，该加热片的最高加热温度低于50℃。
进一步地，该玻璃片包括经键合连接的玻璃底片和玻璃盖片，该玻璃底片上设置有7个通孔，该玻璃盖片作为玻璃片的底面，该7个通孔与玻璃盖片形成玻璃片上的7个内凹槽，该7个内凹槽形成样品槽、萃取溶剂槽、废液槽、集成槽、电泳槽、第一分离槽和第二分离槽，该第一通道、第二通道、第三通道和第四通道刻蚀于玻璃底片上。
进一步地，四个内凹槽之间形成一四边形的空间，该四边形空间为矩形空间。
进一步地，玻璃片长6.3cm，宽2.1cm。
一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控方法，包含以下步骤：
S1、通过注射泵分别往样品槽内注射待萃取样品、和往萃取溶剂槽内注射作为萃取剂的有机溶剂；
S2、样品槽内的待萃取样品和萃取溶剂槽内的萃取剂同时流经第一通道、并在流经第一通道的过程中完成萃取，待萃取样品中的被分析物被萃取至萃取剂中；
S3、完成萃取的样品经第一通道和第二通道流至废液槽中，携带着被分析物的萃取液经第一通道和另一第二通道流至集成槽中；
S4、往经第三通道连通集成槽的电泳槽和集成槽内加入电泳缓冲液，往分别设置于第三通道两侧的第一分离槽和第二分离槽内加入电泳缓冲液，对电泳槽和集成槽之间施加第一电压，使被分析物从集成槽流向电泳槽；
S5、对经第四通道互相连通的第一分离槽和第二分离槽之间施加第二电压，使流至第三通道与第四通道相交处的被分析物在第四通道内得到分离。
进一步地，S3中携带着被分析物的萃取液经第一通道和另一第二通道流至集成槽中，对集成槽加热使萃取液挥发。
进一步地，在步骤S1之前进行步骤S0，该步骤S0为对第一通道一侧和连通第一通道与萃取溶剂槽和集成槽的第二通道进行硅烷化处理，处理方法包括：各通道内表面干燥与干净，分别往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽内加入超纯水，该超纯水在毛细作用下充满第三通道与第四通道；往样品槽内输入正丁醇溶液、使该正丁醇溶液充满第一通道与第二通道，往萃取溶剂槽内输入含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液，该正丁醇溶液与含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液在第一通道中形成层流；保持层流状态20分钟后，停止输入含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液、继续输入正丁醇溶液，待正丁醇溶液将第一通道内含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液排出后、停止输入正丁醇溶液；使用甲醇溶液对第一通道和第二通道进行冲洗。
本发明的有益效果在于：
1)四个内凹槽和第一通道、第二通道形成双Y型多通道层流萃取结构，利用分子在芯片通道的短距离内快速扩散的特征，相较于传统的萃取技术具有更加快速、高效和不乳化的优势，有利于提高检测效率和检测质量；
2)将液液萃取与电泳分离集成于玻璃片上，实现萃取与电泳分离无缝连接，解决了传统方法从萃取到分离过程中容易产生误差和损坏的问题，减小了检测误差，提高了检测的精准度；
3)通过往实际样品中加入内标物，用内标法对被分析物定量，重现性好，方法评价满足要求，可用于药品、食品等微量、痕量物质的富集提取和检测；
4)将本发明应用于萃取PBS缓冲溶液中的血根碱，萃取率达74.2％，以Rh123做内标物，对不同浓度血根碱进行方法学考察，线性范围0.01mg/mL-0.1mg/mL，峰面积比的RSD值1.3％，一次萃取分离的检测限为0.5ng/mL，灵敏度比未经萃取的直接芯片电泳方法高4倍，并可通过多次萃取多次蒸发收集以实现样品的富集浓缩进一步降低检测限；应用本发明对不同浓度血浆中血根碱进行萃取分离检测，萃取率达41.7％，比传统的萃取方法高37.68％，血样用量仅需20μL，17min即可完成从萃取到分离检测的整个过程，而传统萃取离心以及液相色谱检测的方法则至少需要血样1ml、和3h的萃取分离检测时间；
5)其中玻璃片由玻璃底片和玻璃盖片键合而成，以玻璃盖片作为底面，在玻璃底片上进行打孔和刻蚀通道，有利于简化制作工艺，并且便于拆卸和清洗装置；
6)制作简单、分析速度快、样品用量少、降低检测限、可在线富集，易于实现，具备推广使用的前景。
附图说明
图1是本发明中实施例1提供的一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置的结构示意图；
图2是本发明中实施例1提供的一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置的俯视图；
图3是本发明中实施例2提供的一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置的结构示意图；
图4是本发明中一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控方法的流程图。
附图标记：01、第一通道；02、第二通道；03、第三通道；04、第四通道；1、玻璃片；11、玻璃底片；110、通孔；12、玻璃盖片；2、样品槽；3、萃取溶剂槽；4、废液槽；5、集成槽；6、电泳槽；7、第一分离槽；8、第二分离槽；9、注射泵；10、加热片。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
实施例1
如图1及图2所示，一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，包括玻璃片1，该玻璃片1上设置四个内凹槽，该四个内凹槽之间形成一矩形空间，该矩形空间内设置有沿该矩形空间的长度方向延伸的第一通道01，刻蚀于玻璃片1上的第一通道01两端分别经四条第二通道02就近连通四个内凹槽，连通于第一通道01一端的两个内凹槽分别设置为用于放置待萃取样品的样品槽2和用于放置萃取溶剂的萃取溶剂槽3，该样品槽2和萃取溶剂槽3分别连接注射泵9，连通于第一通道01另一端的两个内凹槽分别设置为用于放置完成萃取样品的废液槽4和用于收集萃取成品的集成槽5，玻璃片1的底面上还设置有加热片10，该加热片10位于集成槽5的正下方，该加热片的最高加热温度低于50℃，其中萃取溶剂槽3与集成槽5位于第一通道01的同一侧，连通萃取溶剂槽3与第一通道01、以及连通集成槽5与第一通道01的两个第二通道02内表面均经硅烷化处理，第一通道01靠近萃取溶剂槽3与集成槽5的一侧内表面经硅烷化处理，经过硅烷化处理的两个第二通道02与第一通道01一侧内表面具有憎水性，经过硅烷化处理的两个第二通道02与第一通道01一侧形成萃取通道，从而使亲水的电泳缓冲溶液保留在电泳通道(第三通道03与第四通道04)中，憎水的萃取用有机溶剂保留在萃取通道部分，通道表面性质稳定以保证萃取的重现性以及电泳分离的重现性；该玻璃片1上还设置有作为电泳槽6的第五个内凹槽，集成槽5经第三通道03连通该电泳槽6，刻蚀于玻璃片1上的第三通道03两侧分别设置有第一分离槽7和第二分离槽8，该第一分离槽7和第二分离槽8之间经刻蚀于玻璃片1上的第四通道04互相连通；玻璃片1长6.3cm，宽2.1cm，第一通道01长15mm，分别连通第一通道01与样品槽2、萃取溶剂槽3的两条第二通道02之间形成90度的夹角，分别连通第一通道01与废液槽4、集成槽5的两条第二通道02之间形成90度的夹角，样品槽2、萃取溶剂槽3、废液槽4和集成槽5与第一通道01之间的垂直距离均为100μm，第一分离槽7与第三通道03之间的垂直距离为45mm，第二分离槽8与第三通道03之间的垂直距离为5mm，集成槽5和电泳槽6与第四通道04之间的垂直距离均为50μm；还包括用于施加电压的电力机构(未图示)。
其中，对第一通道分别连通萃取溶剂槽与集成槽的两个第二通道、与第一通道一侧进行硅烷化处理的方法包括：各通道内表面干燥与干净，分别往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽内加入超纯水，该超纯水在毛细作用下充满第三通道与第四通道；以5μL/min的流速往样品槽内输入正丁醇溶液、使该正丁醇溶液充满第一通道与第二通道，往萃取溶剂槽内输入含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液，该正丁醇溶液与含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液在第一通道中形成层流；保持层流状态20分钟后，停止输入含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液、继续输入正丁醇溶液，待正丁醇溶液将第一通道内含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液排出后、停止输入正丁醇溶液；使用甲醇溶液对第一通道和第二通道进行冲洗。
实施例2
如图1、图2及图3所示，本实施例提供的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置基于实施例1中的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其中玻璃片1包括经键合连接的玻璃底片11和玻璃盖片12，该玻璃底片11上设置有7个通孔110，该玻璃盖片12作为玻璃片1的底面，该7个通孔110与玻璃盖片12形成玻璃片1上的7个内凹槽，该7个内凹槽形成样品槽2、萃取溶剂槽3、废液槽4、集成槽5、电泳槽6、第一分离槽7和第二分离槽8，第一通道01、第二通道02、第三通道03和第四通道04刻蚀于玻璃底片11上。
实施例3
如图4所示，一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控方法，包含以下步骤：
S01、对萃取通道(第一通道一侧和连通第一通道与萃取溶剂槽和集成槽的第二通道)进行硅烷化处理：各通道内表面干燥与干净，分别往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽内加入超纯水，该超纯水在毛细作用下充满第三通道与第四通道；以5μL/min的流速往样品槽内输入正丁醇溶液、使该正丁醇溶液充满第一通道与第二通道，往萃取溶剂槽内输入含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液，该正丁醇溶液与含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液在第一通道中形成层流、对充满含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液的第一通道一侧进行硅烷化处理，也对第一通道分别连通萃取溶剂槽与集成槽的第二通道进行硅烷化处理；保持层流状态20分钟后，停止输入含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液、继续输入正丁醇溶液，待正丁醇溶液将第一通道内含25％二氯二甲基硅烷的正丁醇溶液排出后、停止输入正丁醇溶液；使用甲醇溶液对第一通道和第二通道进行冲洗；
S02、往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽中加入亲水性电泳缓冲溶液，从集成槽抽取负压，用亲水性电泳缓冲溶液冲洗电泳通道(第三通道和第四通道)10min；再往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽中加入超纯水，电泳槽、第一分离槽和第二分离槽中，用超纯水冲洗电泳通道(第三通道和第四通道)10min；冲洗完毕后，对集成槽进行干燥处理，往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽中加适量超纯水，使超纯水充满电泳通道(第三通道和第四通道)、但不进入集成槽及其它通道；
S1、通过注射泵分别往样品槽内注射待萃取样品、和往萃取溶剂槽内注射作为萃取剂的有机溶剂；
S2、样品槽内的待萃取样品和萃取溶剂槽内的萃取剂同时流经第一通道、并在流经第一通道的过程中完成萃取，待萃取样品中的被分析物被萃取至萃取剂中；
S3、完成萃取的样品经第一通道和第二通道流至废液槽中，携带着被分析物的萃取液经第一通道和另一第二通道流至集成槽中，对集成槽加热使萃取液挥发，其中加热温度低于50℃，若加热温度过高，集成槽内溶液会流往其它通道，被分析成分将会流失；
S4、往经第三通道连通集成槽的电泳槽和集成槽内加入电泳缓冲液，往分别设置于第三通道两侧的第一分离槽和第二分离槽内加入电泳缓冲液，对电泳槽和集成槽之间施加第一电压，使被分析物从集成槽流向电泳槽；
S5、对经第四通道互相连通的第一分离槽和第二分离槽之间施加第二电压，使流至第三通道与第四通道相交处的被分析物在第四通道内得到分离。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其特征在于：
包括玻璃片，所述玻璃片上设置四个内凹槽，所述四个内凹槽之间形成一四边形的空间，所述四边形的空间内设置有沿该四边形空间的长度方向延伸的第一通道，刻蚀于玻璃片上的第一通道两端分别经四条第二通道就近连通四个内凹槽，连通于第一通道一端的两个内凹槽分别设置为用于放置待萃取样品的样品槽和用于放置萃取溶剂的萃取溶剂槽，所述样品槽和萃取溶剂槽分别连接注射泵，连通于第一通道另一端的两个内凹槽分别设置为用于放置完成萃取样品的废液槽和用于收集萃取成品的集成槽，其中萃取溶剂槽与集成槽位于第一通道的同一侧，连通萃取溶剂槽与第一通道、以及连通集成槽与第一通道的两个第二通道内表面均经硅烷化处理，第一通道靠近萃取溶剂槽与集成槽的一侧内表面经硅烷化处理，经过硅烷化处理的两个第二通道与第一通道一侧内表面具有憎水性；所述玻璃片上还设置有作为电泳槽的第五个内凹槽，集成槽经第三通道连通所述电泳槽，刻蚀于玻璃片上的第三通道两侧分别设置有第一分离槽和第二分离槽，所述第一分离槽和第二分离槽之间经刻蚀于玻璃片上的第四通道互相连通；
还包括用于施加电压的电力机构。
2.如权利要求1所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其特征在于，对第一通道分别连通萃取溶剂槽与集成槽的两个第二通道、与第一通道一侧进行硅烷化处理的方法包括：各通道内表面干燥与干净，分别往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽内加入超纯水，该超纯水在毛细作用下充满第三通道与第四通道；往样品槽内输入有机溶剂、使该有机溶剂充满第一通道与第二通道，往萃取溶剂槽内输入硅烷化试剂，所述有机溶剂与硅烷化试剂在第一通道中形成层流；保持层流状态20分钟后，停止输入硅烷化试剂、继续输入有机溶剂，待有机溶剂将第一通道内的硅烷化试剂排出后、停止输入有机溶剂；对第一通道和第二通道进行冲洗。
3.如权利要求2所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其特征在于，输入有机溶剂的流速为5μL/min。
4.如权利要求1所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其特征在于，所述玻璃片的底面上还设置有加热片，该加热片位于集成槽的正下方。
5.如权利要求1所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其特征在于，所述玻璃片包括经键合连接的玻璃底片和玻璃盖片，所述玻璃底片上设置有7个通孔，所述玻璃盖片作为玻璃片的底面，所述7个通孔与玻璃盖片形成玻璃片上的7个内凹槽，该7个内凹槽形成样品槽、萃取溶剂槽、废液槽、集成槽、电泳槽、第一分离槽和第二分离槽，所述第一通道、第二通道、第三通道和第四通道刻蚀于玻璃底片上。
6.如权利要求1所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其特征在于，所述四个内凹槽之间形成一四边形的空间，所述四边形空间为矩形空间。
7.如权利要求1所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控装置，其特征在于，所述玻璃片长6.3cm，宽2.1cm。
8.一种双相液液萃取与电泳分离集成微流控方法，其特征在于，包含有以下步骤：
S1、通过注射泵分别往样品槽内注射待萃取样品、和往萃取溶剂槽内注射作为萃取剂的有机溶剂；
S2、样品槽内的待萃取样品和萃取溶剂槽内的萃取剂同时流经第一通道、并在流经第一通道的过程中完成萃取，待萃取样品中的被分析物被萃取至萃取剂中；
S3、完成萃取的样品经第一通道和第二通道流至废液槽中，携带着被分析物的萃取液经第一通道和另一第二通道流至集成槽中；
S4、往经第三通道连通集成槽的电泳槽和集成槽内加入电泳缓冲液，往分别设置于第三通道两侧的第一分离槽和第二分离槽内加入电泳缓冲液，对电泳槽和集成槽之间施加第一电压，使被分析物从集成槽流向电泳槽；
S5、对经第四通道互相连通的第一分离槽和第二分离槽之间施加第二电压，使流至第三通道与第四通道相交处的被分析物在第四通道内得到分离。
9.如权利要求8所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控方法，其特征在于，所述S3中携带着被分析物的萃取液经第一通道和另一第二通道流至集成槽中，对集成槽加热使萃取液挥发。
10.如权利要求8所述的双相液液萃取与电泳分离集成微流控方法，其特征在于，在步骤S1之前进行步骤S0，所述步骤S0为对第一通道一侧和连通第一通道与萃取溶剂槽和集成槽的第二通道进行硅烷化处理，处理方法包括：各通道内表面干燥与干净，分别往电泳槽、第一分离槽和第二分离槽内加入超纯水，该超纯水在毛细作用下充满第三通道与第四通道；往样品槽内输入有机溶剂、使该有机溶剂充满第一通道与第二通道，往萃取溶剂槽内输入硅烷化试剂，所述有机溶剂与硅烷化试剂在第一通道中形成层流；保持层流状态20分钟后，停止输入硅烷化试剂、继续输入有机溶剂，待有机溶剂将第一通道内的硅烷化试剂排出后、停止输入有机溶剂；对第一通道和第二通道进行冲洗。
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