CN106694069A - 基于离子浓差极化技术的富集器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于离子浓差极化技术的富集器件，包括：衬底，包括：富集通道，包括入口、流入段、出口、及流出段；缓冲通道，包括入口、流入段、出口、及流出段；以及离子交换膜固定槽，设于富集通道和缓冲通道之间；微流道密封层，设于衬底上方，用于密封各通道；在微流道密封层上设有离子交换膜透过槽；离子交换膜，设于离子交换膜透过槽和离子交换膜固定槽中；以及，多个电极，分别设于富集通道入口、出口，缓冲通道入口、出口。本发明还提供了一种基于离子浓差极化技术的富集器件的制备方法。本发明富集器件及其制备方法，实现了对不同带电样品的富集，结构简单，样品消耗少，易于实现自动化，过程简单快速，不需要超净间环境。

Description

基于离子浓差极化技术的富集器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及化学检测技术领域，尤其涉及一种基于离子浓差极化技术的富集器件及其制备方法。
背景技术
微流控芯片具有样品消耗少，易于实现自动化等优点，在样品分离、检测及分析过程中受到越来越多的关注。但是，在微流控芯片中检测低浓度样品仍是一个挑战。富集方法主要有场放大样品堆积，等速电泳，等电聚焦，膜过滤及离子浓差极化。其中，基于离子浓差极化现象的富集方法可以富集任何带电样品，例如蛋白质，DNA，荧光试剂及离子等，并且只需要简单的缓冲溶液，具有很大的应用潜力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决或者至少部分缓解上述技术问题，本发明提供了一种基于离子浓差极化技术的富集器件及其制备方法，实现了对不同带电样品的富集，结构简单，样品消耗少，易于实现自动化，过程简单快速，不需要超净间环境。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于离子浓差极化技术的富集器件，包括：衬底，包括：富集通道，包括富集通道入口、富集通道流入段、富集通道出口、及富集通道流出段；缓冲通道，包括缓冲通道入口、缓冲通道流入段、缓冲通道出口、及缓冲通道流出段；以及离子交换膜固定槽，设于所述富集通道和缓冲通道之间；微流道密封层，设于所述衬底上方，用于密封各所述通道；在该微流道密封层上设有离子交换膜透过槽；离子交换膜，设于所述离子交换膜透过槽和所述离子交换膜固定槽中；以及，多个电极，分别设于所述富集通道入口、富集通道出口、缓冲通道入口及缓冲通道出口。
优选的，所述的衬底的材料为光敏树脂，尼龙或ABS；所述微流道密封层的材质为软固化的具有粘性的PDMS，厚度为0.1-2mm，该微流道密封层通过粘性固化与所述衬底表面连接。
优选的，所述离子交换膜固定槽形成于衬底上，宽度为0.5-2mm，高度为0.5-2mm。
优选的，所述微流道密封层的离子交换膜透过槽与所述衬底的离子交换膜固定槽位置对应，使所述离子交换膜可穿过所述离子交换膜透过槽固定在所述离子交换膜固定槽中。
优选的，所述富集通道及缓冲通道形成于所述衬底表面，其中，该富集通道位于所述离子交换膜一侧，缓冲通道位于所述离子交换膜的另一侧，所述富集通道及缓冲通道宽度为100-600μm，深度为100-600μm。
优选的，所述富集通道流入段和富集通道流出段之间角度，以及所述缓冲通道流入段和缓冲通道流出段之间角度均为90-160度。
优选的，所述的富集通道入口和富集通道流入段之间、所述富集通道出口和富集通道流出段之间、所述缓冲通道入口和缓冲通道流入段之间、及所述缓冲通道出口和缓冲通道流出段之间分别具有一连接段，该连接段的形状为圆形、直径为4-10mm，深度为100-600μm。
优选的，所述多个电极的材质为铜或不锈钢，形状为管状，管外径为0.5-2mm。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于离子浓差极化技术的富集器件的制备方法，包括：S1、采用3D打印技术和微流控技术形成包括富集通道、缓冲通道及离子交换膜固定槽的衬底；S2、采用软固化粘性材料在所述衬底上形成微流道密封层，并在微流道密封层上采用切割方法形成离子交换膜透过槽；S3、将离子交换膜穿过离子交换膜透过槽固定在离子交换膜固定槽中；S4、将多个电极分别插设于所述富集通道及缓冲通道的进、出口中。
优选的，所述步骤S2包括：S21、将软固化粘性材料在一定温度环境中固化一段时间，形成微流道密封层；S22、将该软固化粘性材料与所述衬底的包含有通道的表面与接触，在该温度环境的条件下完全固化；
S23、将离子交换膜固定槽上方的软固化粘性材料采用切割方法去除，形成离子交换膜透过槽。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明基于离子浓差极化技术的富集器件及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)利用微流道密封层来实现微流道的密封，结合不同种类的离子交换膜，可以实现对不同带电样品的富集。
(2)本发明通过离子浓差极化技术可以在微流控芯片上实现带电样品的富集，可以结合荧光原位检测技术，实现痕量物质的检测。
(3)采用3D打印技术及微流道技术制作微流道层，样品消耗少，易于实现自动化，过程简单快速，不需要超净间环境，具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1是依据本发明实施例基于离子浓差极化技术的富集器件的分解结构示意图。
图2是依据本发明实施例基于离子浓差极化技术的富集器件的整体结构示意图。
图3是依据本发明实施例基于离子浓差极化技术的富集器件的俯视结构示意图。
图4是依据本发明实施例基于离子浓差极化技术的富集器件的侧视结构示意图。
【本发明主要元件符号说明】
1-衬底；
11-富集通道；
111-富集通道入口；
112-富集通道流入段；
113-富集通道出口；
114-富集通道流出段；
12-缓冲通道；
121-缓冲通道入口；
122-缓冲通道流入段；
123-缓冲通道出口；
124-缓冲通道流出段；
13-离子交换膜固定槽；
2-微流道密封层；
21-离子交换膜透过槽；
3-离子交换膜；
4-电极；
41-富集通道入口电极；
42-富集通道出口电极；
43-缓冲通道入口电极；
44-缓冲通道出口电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于离子浓差极化技术的富集器件。图1-4为依据本发明实施例基于离子浓差极化技术的富集器件的结构示意图。请参照图1-4，本实施例基于离子浓差极化技术的富集器件，包括：
衬底1，包括：
富集通道11，包括富集通道入口111、富集通道流入段112、富集通道出口113、及富集通道流出段114；
缓冲通道12，包括缓冲通道入口121、缓冲通道流入段122、缓冲通道出口123、及缓冲通道流出段124；以及
离子交换膜固定槽13，设于所述富集通道和缓冲通道之间；
微流道密封层2，设于所述衬底上方，用于密封各所述通道；在该微流道密封层上设有离子交换膜透过槽21；
离子交换膜3，设于所述离子交换膜透过槽和所述离子交换膜固定槽中；以及，
多个电极4，分别设于所述富集通道入口、富集通道出口、缓冲通道入口及缓冲通道出口。
其中，所述富集通道入口、富集通道出口、富集通道流入段、富集通道流出段、缓冲通道流入段、缓冲通道流出段、缓冲通道入口、缓冲通道出口形成于所述衬底表面，宽度为100-600μm，深度为100-600μm。
所述富集通道流入段和富集通道流出段之间角度优选为90-160度，同样的，缓冲通道流入段和缓冲通道流出段之间角度优选为90-160度。
所述的富集通道入口和富集通道流入段之间、所述富集通道出口和富集通道流出段之间、所述缓冲通道入口和缓冲通道流入段之间、及所述缓冲通道出口和缓冲通道流出段之间分别具有一连接段，该连接段的形状优选为圆形、直径优选为4-10mm，深度优选为100-600μm。
所述多个电极4分别插设于所述富集通道入口、富集通道出口、缓冲通道入口、及缓冲通道出口的固定槽内形成富集通道入口电极41、富集通道出口电极42、缓冲通道入口电极43、及缓冲通道出口电极44，该多个电极的材质可为铜、不锈钢等导电材料，形状可为管状，管外径优选为0.5-2mm。
所述富集通道和缓冲通道为通过3D打印技术和微流控技术形成的微流道，所述微流道密封层覆盖在微衬底上方，起密封微流道作用。该微流道密封层的材质可为软固化的具有粘性的PDMS，厚度为0.1-2mm。通过粘性固化与所述衬底表面连接。
所述离子交换膜固定槽形成于衬底上，宽度为0.5-2mm，高度为0.5-2mm。
所述离子交换膜置于离子交换膜固定槽中，可为阳离子交换膜或阴离子交换膜。
所述微流道密封层的离子交换膜透过槽与所述衬底的离子交换膜固定槽位置对应，使所述离子交换膜可穿过所述离子交换膜透过槽固定在所述离子交换膜固定槽中。
所述富集通道位于所述离子交换膜一侧，所述缓冲通道位于所述离子交换膜的另一侧。
所述的衬底的材料可为光敏树脂，尼龙，ABS等可3D打印的不导电材料。
本发明提供的基于离子浓差极化的富集器件，不仅可用于富集带负电荷样品，而且可用于富集带正电荷样品。具体的，
在富集带负电荷样品时，离子交换膜为阳离子交换膜。将待富集样品同时注入到富集通道和缓冲通道入口，在所述离子交换膜一侧的富集通道入口电极和富集通道出口电极上分别施加正电压V+和V++(其中，V+<V++)，在离子交换膜的另一侧的缓冲通道入口电极、缓冲通道出口电极上接地，选取合适的电势差，在富集通道所在的富集区靠近离子交换膜的区域的阳离子通过阳离子交换膜进入缓冲通道所在的缓冲区，而阴离子由于受到阳离子交换膜的排斥，向V++方向移动，在富集区靠近离子交换膜的区域产生耗尽区。由于富集通道入口电极和富集通道出口电极之间存在电势差，该电势差会诱发由V++指向V+的电渗流。通过控制该电势差，可以平衡阴离子受到的排斥力，从而使该部分阴离子稳定在耗尽区边缘。电渗流源源不断地将阴、阳离子输运到耗尽区，但是耗尽区中的阳离子交换膜会阻止阴离子的通过。因此，阴离子会在耗尽区边界处不断富集。
在富集带正电荷样品时，离子交换膜为阴离子交换膜。其工作模式与上面所述的阴离子富集方式类似，此处不再赘述。
另外，本发明还提供了一种基于离子浓差极化的富集器件的制备方法，包括：
S1、采用3D打印技术和微流控技术形成包括富集通道、缓冲通道及离子交换膜固定槽的衬底；
S2、采用软固化粘性材料在所述衬底上形成微流道密封层；并在微流道密封层上形成离子交换膜透过槽；
S3、将离子交换膜穿过离子交换膜透过槽固定在离子交换膜固定槽中；
S4、将多个电极分别插设于所述富集通道及缓冲通道的进、出口中。
其中，所述步骤S2包括：
S21、将软固化粘性材料在一定温度环境中固化一段时间，形成微流道密封层；
S22、将该软固化粘性材料与所述衬底的包含有通道的表面与接触，在该温度环境的条件下完全固化。
其中，该固化温度优选为70-100℃，固化时间优选为8-20分钟。
S23、将离子交换膜固定槽上方的软固化粘性材料去除，形成离子交换膜透过槽。
至此，已经结合附图对本发明多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于离子浓差极化的富集器件及其制备方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
所述电极的形状可为不限于管状，还可以为片状等，均不影响本发明的实现。
综上所述，本发明设计了一种新型的基于离子浓差极化富集器件及其制备方法，利用微流道密封层来实现微流道的密封，结合不同种类的离子交换膜，可以实现对不同带电样品的富集；采用3D打印技术及微流道技术制作微流道层，样品消耗少，易于实现自动化，过程简单快速，不需要超净间环境，具有巨大的应用潜力。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，包括：
衬底，包括：
富集通道，包括富集通道入口、富集通道流入段、富集通道出口、及富集通道流出段；
缓冲通道，包括缓冲通道入口、缓冲通道流入段、缓冲通道出口、及缓冲通道流出段；以及
离子交换膜固定槽，设于所述富集通道和缓冲通道之间；
微流道密封层，设于所述衬底上方，用于密封各所述通道；在该微流道密封层上设有离子交换膜透过槽；
离子交换膜，设于所述离子交换膜透过槽和所述离子交换膜固定槽中；以及，
多个电极，分别设于所述富集通道入口、富集通道出口、缓冲通道入口及缓冲通道出口。
2.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，所述的衬底的材料为光敏树脂，尼龙或ABS；所述微流道密封层的材质为软固化的具有粘性的PDMS，厚度为0.1-2mm，该微流道密封层通过粘性固化与所述衬底表面连接。
3.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，所述离子交换膜固定槽形成于衬底上，宽度为0.5-2mm，高度为0.5-2mm。
4.根据权利要求3所述的基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，所述微流道密封层的离子交换膜透过槽与所述衬底的离子交换膜固定槽位置对应，使所述离子交换膜可穿过所述离子交换膜透过槽固定在所述离子交换膜固定槽中。
5.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，所述富集通道及缓冲通道形成于所述衬底表面，其中，该富集通道位于所述离子交换膜一侧，缓冲通道位于所述离子交换膜的另一侧，所述富集通道及缓冲通道宽度为100-600μm，深度为100-600μm。
6.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，所述富集通道流入段和富集通道流出段之间角度，以及所述缓冲通道流入段和缓冲通道流出段之间角度均为90-160度。
7.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，所述的富集通道入口和富集通道流入段之间、所述富集通道出口和富集通道流出段之间、所述缓冲通道入口和缓冲通道流入段之间、及所述缓冲通道出口和缓冲通道流出段之间分别具有一连接段，该连接段的形状为圆形、直径为4-10mm，深度为100-600μm。
8.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化技术的富集器件，其特征在于，所述多个电极的材质为铜或不锈钢，形状为管状，管外径为0.5-2mm。
9.一种制备如权利要求1至8中任一项所述的基于离子浓差极化技术的富集器件的方法，其特征在于，包括：
S1、采用3D打印技术和微流控技术形成包括富集通道、缓冲通道及离子交换膜固定槽的衬底；
S2、采用软固化粘性材料在所述衬底上形成微流道密封层，并在微流道密封层上采用切割方法形成离子交换膜透过槽；
S3、将离子交换膜穿过离子交换膜透过槽固定在离子交换膜固定槽中；
S4、将多个电极分别插设于所述富集通道及缓冲通道的进、出口中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、将软固化粘性材料在一定温度环境中固化一段时间，形成微流道密封层；
S22、将该软固化粘性材料与所述衬底的包含有通道的表面与接触，在该温度环境的条件下完全固化；
S23、将离子交换膜固定槽上方的软固化粘性材料采用切割方法去除，形成离子交换膜透过槽。
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