CN109030609A - 一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统及其检测方法。系统包括微流控芯片、高压发生控制模块、非接触电导检测模块和控制模块。微流控芯片包括微芯片盖板、绝缘层和PCB基板。微芯片盖板的底部设有微管道。PCB基板的顶部刻蚀有发射电极、接收电极和地电极。微管道包括交叉设置且内部相连通的第一通道和第二通道。第一通道的两端分别设有样品蓄水池和样品废液池。第二通道的两端分别设有缓冲液蓄水池和缓冲液废液池。第一通道为直线型。第二通道包括直线型的第一连接部与第二连接部以及圆弧形的第三连接部。本发明仅需单一进样、微管道和非接触电导检测系统便可实现阴阳离子的同步检测。
Description
技术领域
本发明涉及微芯片电泳技术领域，具体涉及一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统及其检测方法。
背景技术
在农业、环境监测、临床医学监测、食品药品监测等领域，检测对象往往是阳离子和阴离子共存的样品，比如，土壤养分检测和PM2.5监测。土壤中植物可吸收的生物有效态的养分主要是K+、NH4 +、PO4 3-等阴阳离子。PM2.5是环境质量监测的重要内容，它也包含多种阴阳离子如F－、Cl－、NO2 －、NO3 －、SO4 2－、K+、Na+、NH4 +、Ca2+、Mg2+。目前的检测方法是将样品分离，而后分开检测阳离子和阴离子，这样使得检测系统十分繁杂，并且效率不高，同时样品试剂的损耗量也极大，这对于像医学上所需监测的比较珍稀的样品非常不利。所以，上述领域迫切需要阴阳离子可一次同步检出的技术和设备。
目前的阴阳离子同步检测主要采用毛细管电泳和微芯片电泳两种技术。其中，毛细管电泳技术因为发展的时间比较长，检测方法较多，但是这种检测技术相较于微芯片电泳检测技术有诸多缺陷，比如分离效率差，样品损耗量大，电泳所需高压大，系统集成度低等。而微芯片电泳技术，由于发展时间短，技术难度高，目前成功实现阴阳离子同步检测的仅发现三例，其中一例采用两极等速电泳技术，实现了阴阳离子同步检测，但是检测耗时过长、精度低，第二种检测方法，则依赖于两套进样系统，且在待测离子种类多的情况下，易出现混叠现象影响检测结果，最后一例则采用两套分离管道和非接触电导检测器，虽然实现了阴阳离子的短时间检测，但系统非常复杂，成本过高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统及其检测方法，该系统及检测方法解决了现有技术中存在的不足，使得阴阳离子在仅有单一进样、微管道和非接触电导检测系统的条件下就能实现同步检测。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明涉及一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，包括微流控芯片、高压发生控制模块、非接触电导检测模块和控制模块。
具体地说，所述微流控芯片包括自上向下依次设置的微芯片盖板、绝缘层和PCB基板。所述微芯片盖板的底部设有微管道。所述PCB基板的顶部刻蚀有发射电极、接收电极和地电极。所述微管道包括交叉设置且内部相连通的第一通道和第二通道。所述第一通道的两端分别设有样品蓄水池和样品废液池。所述第二通道的两端分别设有缓冲液蓄水池和缓冲液废液池。所述第一通道为直线型。所述第二通道包括平行设置的第一连接部与第二连接部以及连接在第一连接部与第二连接部同一端之间的第三连接部。所述第一连接部和第二连接部均为直线型，所述第三连接部为圆弧形。
进一步的，所述高压发生控制模块包括高压电源发生模块、高压继电器阵列和高压继电器驱动阵列。所述高压电源发生模块的输入端通过信号隔离芯片与控制模块的输出端相连，高压电源发生模块的输出端与高压继电器阵列的高压输入端相连。所述高压继电器阵列的输出端分别接样品蓄水池、样品废液池、缓冲液蓄水池和缓冲液废液池。所述高压继电器驱动阵列的输入端接控制模块的输出端，高压继电器驱动阵列的输出端接高压继电器阵列的控制输入端。
具体地说，所述高压电源发生模块包括第一高压电源和第二高压电源两个高压电源，所述高压电源采用美国EMCO公司的型号为C20的高压电源。所述高压继电器阵列包括高压继电器R1、高压继电器R2、高压继电器R3、高压继电器R4、高压继电器R5、高压继电器R6、高压继电器R7和高压继电器R8。所述第一高压电源的高压输出端V1分别接高压继电器R1及高压继电器R2的输入端，第一高压电源的接地端分别接高压继电器R3及高压继电器R4的输入端。所述第二高压电源的高压输出端V2分别接高压继电器R5及高压继电器R6的输入端，第二高压电源的接地端分别接高压继电器R7及高压继电器R8的输入端。所述高压继电器R1的输出端分别接样品蓄水池和地。所述高压继电器R2的输出端分别接样品废液池和地。所述高压继电器R3的输出端分别接样品废液池和地。所述高压继电器R4的输出端分别接样品蓄水池和地。所述高压继电器R5的输出端分别接缓冲液蓄水池和地。所述高压继电器R6的输出端分别接缓冲液废液池和地。所述高压继电器R7的输出端分别接缓冲液废液池和地。所述高压继电器R8的输出端分别接缓冲液蓄水池和地。所述高压继电器R1-R8的控制输入端的一端接地，另外一端接高压继电器驱动阵列的输出。
进一步的，所述非接触电导检测模块包括信号发生器、相移模块、前置放大器、乘法器、低通滤波器和后置放大器。所述信号发生器的输出端分别接发射电极、相移模块的输入端。相移模块的输出端接乘法器的输入端；乘法器的输出端接低通滤波器的输入端。低通滤波器的输出端接后置放大器的输入端；后置放大器的输出端接控制模块的输入端。接收电极接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接乘法器的输入端。
进一步的，所述相移模块包括电压跟随器、第一相移电路、第二相移电路和后级放大电路。所述第一相移电路包括可调电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C1和运放U1。所述第二相移电路包括可调电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C2和运放U2。所述后级放大电路包括电阻R15、电阻R16和运放U3。所述电压跟随器的同相输入端接信号发生器的输出端，电压跟随器的反相输入端接其输出端，电压跟随器的输出端接可调电阻R9的输入端；所述可调电阻R9的输出端接运放U1的同相输入端，可调电阻R9的输入端还依次经过电阻R10和R11与运放U1的输出端相连。所述运放U1的同相输入端还经电容C1接地，运放U1的反相输入端连接在电阻R10与R11之间的节点上，运放U1的输出端接可调电阻R12的输入端。所述可调电阻R12的输出端接运放U2的同相输入端，可调电阻R12的输入端还依次经过电阻R13和R14与运放U2的输出端相连。所述运放U2的同相输入端还经电容C1接地，运放U2的反相输入端连接在电阻R13与R14之间的节点上，运放U2的输出端接运放U3的同相输入端。所述运放U3的输出端依次经过电阻R16和R15接地，运放U3的反相输入端连接在电阻R15与R16之间的节点上。
进一步的，所述低通滤波器包括电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、运放U4和运放U5。所述运放U4的同相输入端依次经电阻R18和R17接乘法器的输出端，运放U4的同相输入端还经电容C3接地，运放U4的反相输入端经电阻R19接地，运放U4的反相输入端还经电阻R20接运放U4的输出端，运放U4的输出端依次经电阻R21和R22接运放U5的同相输入端。所述电容C4的一端连接在电阻R17与R18之间的节点上，另一端接运放U4的输出端。所述运放U5的同相输入端经电容C5接地，运放U5的反相输入端经电阻R23接地，运放U5的反相输入端还经电阻R24接运放U5的输出端，运放U5的输出端接后置放大电路的输入端，运放U5的输出端还经电容C6连接在电阻R21与R22之间的节点上。
本发明还涉及一种上述可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统的检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用His/MES、CTAB电渗流抑制剂和去离子水制备缓冲液。其中，His/MES表示histidine/2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid，即2-吗啉乙磺酸/组氨酸。CTAB表示cetyltrimethylammoniumbromide，即十六烷基三甲基溴化铵。
(2)将缓冲液通过缓冲液蓄水池注满整个微管道，由于缓冲液中含有CTAB电渗流抑制剂，在此条件下，离子在微管道中所受的电渗流力将被抑制，阳离子和阴离子在相同的高压条件下迁移方向相反。
(3)将待测样品加注于样品蓄水池。
(4)控制模块控制高压发生控制模块产生500V高压V1，并导通高压继电器R1、R3，则样品蓄水池被施加500V高压，样品废液池接地，阳离子会从样品蓄水池向样品废液池迁移，此时微管道的十字交叉区域会充满阳离子。而后控制模块控制高压发生控制模块关闭高压V1及高压继电器R1、R3，产生2000V高压V2，并导通高压继电器R5、R7，则缓冲液蓄水池被施加2000V高压，缓冲液废液池接地，微管道十字交叉区域的阳离子会向缓冲液废液池迁移。
(5)信号发生器产生交流激励信号给发射电极，接收电极会接收到一个同频的电流信号，当阳离子迁移通过发射电极与接收电极之间的非接触电导检测模块的检测区域时，接收电极上的电流信号幅度发生变化，该幅度变化通过非接触电导检测模块被采样出来，并传输给控制模块进行计算，从而得到阳离子的种类及浓度信息。
(6)当阳离子迁移进入缓冲液废液池后，控制模块控制高压发生控制模块关闭高压V2及高压继电器R5、R7，产生500V高压V1，并导通高压继电器R2、R4，则样品蓄水池接地，样品废液池被施加500V高压，阴离子会从样品蓄水池向样品废液池迁移，此时微管道的十字交叉区域会充满阴离子；而后控制模块控制高压发生控制模块关闭高压V1及高压继电器R2、R4，产生2000V高压V2，并导通高压继电器R6、R8，则缓冲液蓄水池接地，缓冲液废液池被施加2000V高压，微管道十字交叉区域的阴离子会向缓冲液废液池迁移，当阴离子通过非接触电导检测模块的检测区域时被检测出来，并传输给控制模块进行计算，从而得到阴离子的种类及浓度信息。
由以上技术方案可知，本发明利用电渗流抑制剂抑制微管道中的电渗流力，通过高压发生控制模块精确控制电泳驱动电压，使得阳离子和阴离子在电泳力的作用下先后在微管道中往同一方向迁移，当迁移通过发射电极与接收电极之间的非接触电导检测模块的检测区域时，被非接触电导检测模块所检测，检测数据通过控制模块传输给上位机计算，最终获得离子的种类及浓度信息。本发明采用的微管道为一种长的弯分离管道结构，有效的避免了阴阳离子的混叠现象。本发明仅需要单一的进样、微管道和非接触电导检测系统就可实现高精度的阴阳离子同步测量，大大降低了系统的复杂度及成本；同时由于仅需进行一次加样操作，避免了阴阳离子样品分离后导致的样品不均匀，大大的减少了试剂的损耗。本发明可应用于土壤质量监测、临床医学监测等行业。
附图说明
图1是一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统的结构及原理示意图；
图2是一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统的原理框图；
图3是微流控芯片的俯视图；
图4是微流控芯片的纵向剖视图；
图5是高压发生控制模块的原理框图；
图6是相移模块的电路原理图；
图7是低通滤波器的电路原理图；
图8是可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统的检测方法的电泳进程图；
图9是本发明的电渗流抑制效果的电泳谱图；
图10是本发明进行阴阳离子同步检测结果的电泳谱图。
其中：
100、微流控芯片，101、第一通道，102、第二通道，103、样品蓄水池，104、样品废液池，105、缓冲液蓄水池，106、缓冲液废液池，107、发射电极，108、地电极，109、接收电极，110、微管道，111、微芯片盖板，112、PCB基板，113、绝缘层，200、高压发生控制模块，201、第一高压电源，202、第二高压电源，300、非接触电导检测模块，301、信号发生器，302、相移模块，303、乘法器，304、前置放大器，305、低通滤波器，306、后置放大器，400、控制模块，500、上位机软件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1和图2所示，本发明涉及一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，包括微流控芯片100、高压发生控制模块200、非接触电导检测模块300、控制模块400和上位机软件500。
如图3和图4所示，所述微流控芯片100包括自上向下依次设置的微芯片盖板111、绝缘层113和PCB基板112。所述绝缘层113，用于隔绝检测电极与溶液，避免检测时高压灌入检测系统造成系统的损坏。所述微芯片盖板111的底部设有微管道110，微管道110采用热压成型工艺压印在微芯片盖板111的内表面。所述微芯片盖板111与绝缘层113之间采用热压键合工艺密封。所述PCB基板112的顶部刻蚀有检测电极，所述检测电极包括发射电极107、接收电极109和地电极108。位于检测电极上方的绝缘层113和带有微管道110的微芯片盖板111成为微芯片层，所述微芯片层采用螺栓和PCB基板112连接在一起，便于拆卸和检测电极的重复利用。
具体地说，所述微管道110包括交叉设置且内部相连通的第一通道101和第二通道102。如图2和图3所示，所述第一通道101沿前后方向设置，第二通道102沿左右方向设置。第一通道101和第二通道102相互垂直。所述第一通道101的两端分别设有样品蓄水池103和样品废液池104。所述第二通道102的两端分别设有缓冲液蓄水池105和缓冲液废液池106。所述第一通道101为直线型。所述第二通道102包括平行设置的第一连接部与第二连接部以及连接在第一连接部与第二连接部同一端之间的第三连接部。所述第一连接部和第二连接部均为直线型，所述第三连接部为圆弧形。所述第一连接部和第二连接部沿前后方向依次平行设置；第一连接部的长度大于第二连接部的长度，第二连接部位于第一连接部后端的下方；第三连接部将第一连接部的右端和第二连接部的右端连接在一起，而且第三连接部向右侧凸出，从而三个连接部连接起来形成弯管道结构。所述微管道110采用如上所述的弯管道结构，该结构的作用是容纳检测过后的阳离子，在阳离子检测结束后，颠倒分离高压的方向检测阴离子时，此时阴离子和检测过后的阳离子均会向检测区域移动，但检测过后阳离子距离检测区域较远，使得阳离子会在阴离子到达之后才到达检测区域，从而避免了离子的混叠。检测区域位于第一连接部的中后端的下方。同时，采用弯管道的结构可以减小微芯片的整体尺寸，如果采用长的直管道会使得微芯片整体尺寸过长。本发明中的检测电极采用依次设置的发射电极、地电极和接收电极三电极结构，中间的地电极有效的降低了检测电极之间的耦合作用，提高系统的灵敏度。检测区域为与检测电极相连的非接触电导检测模块。
如图5所示，所述高压发生控制模块200包括高压电源发生模块、高压继电器阵列和高压继电器驱动阵列。所述高压电源发生模块的输入端通过信号隔离芯片与控制模块400的输出端相连。控制模块400通过控制系统接口发送高压控制信号，该高压控制信号通过信号隔离芯片传送给高压电源发生模块产生高压；同时，控制模块400通过控制系统接口给高压继电器驱动阵列发送控制信号，该信号通过高压继电器驱动阵列进行电流放大，而后驱动高压继电器导通，实现高压发生控制模块200的高压输出。高压电源发生模块的输出端与高压继电器阵列的高压输入端相连。所述高压继电器阵列的输出端分别接样品蓄水池103、样品废液池104、缓冲液蓄水池105和缓冲液废液池106。所述高压继电器驱动阵列的输入端接控制模块400的输出端，高压继电器驱动阵列的输出端接高压继电器阵列的控制输入端。高压发生控制模块200的高压部分和弱电控制部分之间进行了割地的隔离，同步整个模块外圈被三端电源的大地层所包围，模块被罩在金属屏蔽盒中，屏蔽盒与模块大地层紧密接触，整个模块通过屏蔽盒进行了良好的接地。本发明所采用的高压发生控制模块200，可以避免现有高压电源可控度低、体积大、集成度低等不足，本发明所采用的高压发生控制模块具有体积小、集成度高等特点，可实现0～2000V程控多路高压输出。
具体地说，所述高压电源发生模块包括第一高压电源201和第二高压电源202两个高压电源，这两个高压电源均采用美国EMCO公司的型号为C20的高压电源，该高压电源仅需12V供电，0-5V程控高压输出，可由STM32等微处理器经电平转换后直接控制。所述高压继电器阵列包括高压继电器R1、高压继电器R2、高压继电器R3、高压继电器R4、高压继电器R5、高压继电器R6、高压继电器R7和高压继电器R8。利用高压继电器阵列将高压电源单一的电压输出，转换为多路输出，输出接口组合方式灵活，方便微流控芯片高压极性的切换。对于每一个高压电源而言，高压继电器阵列将高压电源的输出进行拆分，实现2路高压、2路地输出。高压继电器阵列可由控制模块通过三极管开关电路直接控制。
所述第一高压电源201的高压输出端V1分别接高压继电器R1及高压继电器R2的输入端，第一高压电源201的接地端分别接高压继电器R3及高压继电器R4的输入端。所述第二高压电源202的高压输出端V2分别接高压继电器R5及高压继电器R6的输入端，第二高压电源202的接地端分别接高压继电器R7及高压继电器R8的输入端。所述高压继电器R1的输出端分别接样品蓄水池和地。所述高压继电器R2的输出端分别接样品废液池和地。所述高压继电器R3的输出端分别接样品废液池和地。所述高压继电器R4的输出端分别接样品蓄水池和地。所述高压继电器R5的输出端分别接缓冲液蓄水池和地。所述高压继电器R6的输出端分别接缓冲液废液池104和地。所述高压继电器R7的输出端分别接缓冲液废液池106和地。所述高压继电器R8的输出端分别接缓冲液蓄水池105和地。
如图2所示，所述非接触电导检测模块300包括信号发生器301、相移模块302、前置放大器303、乘法器304、低通滤波器305和后置放大器306。所述信号发生器301的输出端分别接发射电极107、相移模块302的输入端。相移模块302的输出端接乘法器304的输入端；乘法器304的输出端接低通滤波器305的输入端。低通滤波器305的输出端接后置放大器306的输入端；后置放大器306的输出端接控制模块400的输入端。接收电极109接前置放大器303的输入端，前置放大器303的输出端接乘法器304的输入端。所述信号发生器301，用于产生交流激励信号给微流控芯片100上的发射电极107，由于极化现象会在接收电极109上产生一个相同频率的电流信号。所述前置放大器303将该电流信号转化为同频的电压信号，同时信号发生器301产生另一路参考信号，该参考信号通过相移模块302调整至与前置放大器303的输出信号相位相同，而后参考信号与前置放大器303的输出信号一同输入乘法器304相乘，相乘之后得到一个二倍频信号和一个直流信号，经过低通滤波器305滤除二倍频信号后只剩下直流信号。当离子通过检测区域时，该直流信号的幅度会发生变化，离子的浓度信息则包含在该幅度变化中。所述后置放大器306用于放大该直流信号，在噪声已经被削弱的基础上，进一步放大有效信号，可大大提高系统的信噪比和灵敏度。
如图6所示，所述相移模块包括电压跟随器U0、第一相移电路、第二相移电路和后级放大电路。所述第一相移电路包括可调电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C1和运放U1。所述第二相移电路包括可调电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C2和运放U2。所述后级放大电路包括电阻R15、电阻R16和运放U3。所述电压跟随器U0的同相输入端接信号发生器301的输出端，电压跟随器U0的反相输入端接其输出端，电压跟随器U0的输出端接可调电阻R9的输入端；所述可调电阻R9的输出端接运放U1的同相输入端，可调电阻R9的输入端还依次经过电阻R10和R11与运放U1的输出端相连。所述运放U1的同相输入端还经电容C1接地，运放U1的反相输入端连接在电阻R10与R11之间的节点上，运放U1的输出端接可调电阻R12的输入端。所述可调电阻R12的输出端接运放U2的同相输入端，可调电阻R12的输入端还依次经过电阻R13和R14与运放U2的输出端相连。所述运放U2的同相输入端还经电容C1接地，运放U2的反相输入端连接在电阻R13与R14之间的节点上，运放U2的输出端接运放U3的同相输入端。所述运放U3的输出端依次经过电阻R16和R15接地，运放U3的反相输入端连接在电阻R15与R16之间的节点上。运放U1、U2和U3均采用高带宽运放OP42。所述相移模块302采用两个级联的0-180°有源移相电路所构成，即第一相移电路和第二相移电路，实现了0-360°大范围内的相移。通过采用电压跟随器做模块之间的隔离，能够避免调相时影响信号发生器的输出。通过在有源调相电路之后加入一级同相比例放大电路，即后级放大电路，能够避免因为调相所导致的输出幅度变动过大。
如图7所示，所述低通滤波器305包括电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、运放U4和运放U5。所述运放U4的同相输入端依次经电阻R18和R17接乘法器304的输出端，运放U4的同相输入端还经电容C3接地，运放U4的反相输入端经电阻R19接地，运放U4的反相输入端还经电阻R20接运放U4的输出端，运放U4的输出端依次经电阻R21和R22接运放U5的同相输入端。所述电容C4的一端连接在电阻R17与R18之间的节点上，另一端接运放U4的输出端。所述运放U5的同相输入端经电容C5接地，运放U5的反相输入端经电阻R23接地，运放U5的反相输入端还经电阻R24接运放U5的输出端，运放U5的输出端接后置放大电路的输入端，运放U5的输出端还经电容C6连接在电阻R21与R22之间的节点上。所述低通滤波器305采用4阶有源巴特沃斯低通滤波器替代传统的RC低通滤波器，能够大大提高系统的滤波性能及信噪比。运放U4和U5均采用采用双路低噪声精密运放OPA2111。
进一步的，所述控制模块400采用14位高精度模数转换器MAX194作为信号采集模块，该模数转换器支持-5V至+5V宽范围的模拟电压输入，有效的防止了由于系统放大倍数过大造成的电平溢出。控制模块采用STM32芯片。
进一步的，所述上位机软件500包括对采样和高压的控制功能以及数据的存储功能，通过串口实现与底层的灵活交互。上位机软件500和底层控制系统整体的控制流程是：上位机发送高压控制命令给底层控制系统同时打开数据采集功能，底层控制系统接收到该命令后，首先打开进样高压，导通连接进样地的高压继电器，同时打开定时器，严格控制进样时间，而后当进样定时器计时结束后，底层发送控制命令给数据采样模块开始采集数据，同时关闭进样高压和进样地高压继电器，开启分离高压，导通连接分离地的高压继电器，另外一个定时器开启，每隔5ms采样一次数据，当达到所需的分离时间以后，关闭采样及高压。所述底层控制系统即控制模块。
本发明还涉及一种上述可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统的检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用20mM His/MES、0.01mM电渗流抑制剂CTAB和去离子水制备缓冲液。其中，His/MES表示histidine/2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid，即2-吗啉乙磺酸/组氨酸。CTAB表示cetyltrimethylammoniumbromide，即十六烷基三甲基溴化铵。
(2)将缓冲液通过缓冲液蓄水池105注满整个微管道，由于缓冲液中含有CTAB电渗流抑制剂，在此条件下，离子在微管道7中所受的电渗流力将被抑制，阳离子和阴离子在相同的高压条件下迁移方向相反。
(3)如图8(a)所示，将待测样品加注于样品蓄水池103。
(4)如图1和图8(b)所示，控制模块400控制高压发生控制模块200产生500V高压V1，并导通高压继电器R1、R3，则样品蓄水池103被施加500V高压，样品废液池104接地，阳离子会从样品蓄水池103向样品废液池104迁移，此时微管道7的十字交叉区域(即第一通道和第二通道的交叉的区域)会充满阳离子。而后控制模块控制高压发生控制模块关闭高压V1及高压继电器R1、R3，产生2000V高压V2，并导通高压继电器R5、R7，则缓冲液蓄水池105被施加2000V高压，缓冲液废液池106接地，微管道7十字交叉区域的阳离子会向缓冲液废液池10迁移，如图8(c)所示。
(5)信号发生器301产生交流激励信号给发射电极107，接收电极109会接收到一个同频的电流信号，当阳离子迁移通过发射电极107与接收电极109之间的检测区域时，接收电极109上的电流信号幅度发生变化，该幅度变化通过非接触电导检测模块300的后续模块被采样出来，并传输给控制模块400进行计算，从而得到阳离子的种类及浓度信息。所述非接触电导检测模块300的后续模块包括前置放大器、相移模块、乘法器、低通滤波器和后置放大器。
(6)如图8(d)所示，当阳离子迁移进入缓冲液废液池106后，控制模块400控制高压发生控制模块关闭高压V2及高压继电器R5、R7，产生500V高压V1，并导通高压继电器R2、R4，则样品蓄水池103接地，样品废液池104被施加500V高压，阴离子会从样品蓄水池103向样品废液池104迁移，此时微管道7的十字交叉区域(即第一通道和第二通道的交叉的区域)会充满阴离子；如图8(e)所示，而后控制模块400控制高压发生控制模块关闭高压V1及高压继电器R2、R4，产生2000V高压V2，并导通高压继电器R6、R8，则缓冲液蓄水池105接地，缓冲液废液池106被施加2000V高压，微管道7十字交叉区域的阴离子会向缓冲液废液池106迁移，当阴离子通过检测区域时被检测出来，并传输给控制模块400进行计算，从而得到阴离子的种类及浓度信息。
如图8所示，将微管道7中注满带有电渗流抑制剂的缓冲液，此时微管道7中的电渗流力受到抑制，离子在微管道中的迁移主要受电泳力的影响。在样品蓄水池1中加入50μL样品，而后控制模块发送高压控制信号给高压发生控制模块，先在第一通道施加0.5kV的高压，第二通道悬空，此时样品中的阳离子会注满第一通道，之后在第二通道施加2kV的高压，第一通道悬空，此时微管道十字交叉口的阳离子会向检测区域迁移，当通过检测区域时被非接触电导检测模块检测出对应的阳离子种类和浓度信息，直至阳离子全部迁移至第二通道末端时，关闭高压，进行样品中阴离子的检测。样品中阴离子的检测过程与阳离子类似，只需将阳离子所加高压颠倒即可，唯一重点提出的问题是，当施加高压使得十字交叉管道中的阴离子向检测区域迁移时，第二通道末端的阳离子也会向检测区域迁移，但是第二通道末端至检测区域的距离相较于十字交叉口至检测区域的距离长，导致阳离子会在阴离子到达检测区域后才会到达检测区域，因此有效的避免了对阴离子检测影响，从而通过这种简单的电泳进程使得阴阳离子在单分离管道和单非接触电导检测系统的条件下成功的被检测出来。
如图9所示，(a)和(b)分别显示了6种不同浓度电渗流抑制剂对三种阳离子(I)K+，(II)Na+，(III)Li+和三种阴离子(IV)Cl－，(V)F－，(VI)PO4 3－混合物的检测效果，通过分析该电泳谱图可以得出以下结论：该CTAB阳离子表面活性剂具备良好的电渗流抑制作用，随着CTAB浓度的增加，正向电渗流逐渐被抑制并最终被反向了，随着CTAB浓度的继续增加，反向的电渗流逐渐增强，阳离子所受电渗流力与电泳力方向相反，因此当CTAB浓度增大至一定浓度时，阳离子所受电泳力小于电渗流力，使得阳离子无法向检测区域移动以至于无法被检测，阴离子所受电渗流力与电泳力方向一致，随着CTAB浓度提升阴离子所受合力越大，通过检测区域的时间越短，区分度越变差；含有0.01mM CTAB的缓冲液具备最佳的电渗流抑制效果。
如图10所示，采用本发明对阴阳离子进行同步检测，6种阴阳离子的混合样品在140s内成功的实现了同步检测，其中(I)K+，(II)Na+，(III)Li+(IV)Cl－，(V)F－，(VI)PO4 3－,(VII)回迁K+，这证明了本发明可以实现仅依靠单一的分离、进样管道和非接触电导检测模块完成对阴阳离子的同步检测。另外，在磷酸根离子后出现了“回迁”的钾离子，但该钾离子可以后期通过软件加以滤除，证明了本发明可以成功的避免“回迁”阳离子对阴离子检测的影响，同时阳离子的分离性能优于阴离子，也证明了电渗流如预期的被反向和抑制了。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，其特征在于：包括微流控芯片、高压发生控制模块、非接触电导检测模块和控制模块；
所述微流控芯片包括自上向下依次设置的微芯片盖板、绝缘层和PCB基板；所述微芯片盖板的底部设有微管道；所述PCB基板的顶部刻蚀有发射电极、接收电极和地电极；所述微管道包括交叉设置且内部相连通的第一通道和第二通道；所述第一通道的两端分别设有样品蓄水池和样品废液池；所述第二通道的两端分别设有缓冲液蓄水池和缓冲液废液池；所述第一通道为直线型；所述第二通道包括平行设置的第一连接部与第二连接部以及连接在第一连接部与第二连接部同一端之间的第三连接部；所述第一连接部和第二连接部均为直线型，所述第三连接部为圆弧形。
2.根据权利要求1所述的一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，其特征在于：所述高压发生控制模块包括高压电源发生模块、高压继电器阵列和高压继电器驱动阵列；所述高压电源发生模块的输入端通过信号隔离芯片与控制模块的输出端相连，高压电源发生模块的输出端与高压继电器阵列的高压输入端相连；所述高压继电器阵列的输出端分别接样品蓄水池、样品废液池、缓冲液蓄水池和缓冲液废液池；所述高压继电器驱动阵列的输入端接控制模块的输出端，高压继电器驱动阵列的输出端接高压继电器阵列的控制输入端。
3.根据权利要求1所述的一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，其特征在于：所述非接触电导检测模块包括信号发生器、相移模块、前置放大器、乘法器、低通滤波器和后置放大器；所述信号发生器的输出端分别接发射电极、相移模块的输入端；相移模块的输出端接乘法器的输入端；乘法器的输出端接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端接后置放大器的输入端；后置放大器的输出端接控制模块的输入端；接收电极接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端接乘法器的输入端。
4.根据权利要求2所述的一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，其特征在于：所述高压电源发生模块包括第一高压电源和第二高压电源两个高压电源，所述高压电源采用美国EMCO公司的型号为C20的高压电源；所述高压继电器阵列包括高压继电器R1、高压继电器R2、高压继电器R3、高压继电器R4、高压继电器R5、高压继电器R6、高压继电器R7和高压继电器R8；所述第一高压电源的高压输出端V1分别接高压继电器R1及高压继电器R2的输入端，第一高压电源的接地端分别接高压继电器R3及高压继电器R4的输入端；所述第二高压电源的高压输出端V2分别接高压继电器R5及高压继电器R6的输入端，第二高压电源的接地端分别接高压继电器R7及高压继电器R8的输入端；所述高压继电器R1的输出端分别接样品蓄水池；所述高压继电器R2的输出端分别接样品废液池；所述高压继电器R3的输出端分别接样品废液池；所述高压继电器R4的输出端分别接样品蓄水池；所述高压继电器R5的输出端分别接缓冲液蓄水池；所述高压继电器R6的输出端分别接缓冲液废液池；所述高压继电器R7的输出端分别接缓冲液废液池；所述高压继电器R8的输出端分别接缓冲液蓄水池。
5.根据权利要求3所述的一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，其特征在于：所述相移模块包括电压跟随器、第一相移电路、第二相移电路和后级放大电路；所述第一相移电路包括可调电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C1和运放U1；所述第二相移电路包括可调电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C2和运放U2；所述后级放大电路包括电阻R15、电阻R16和运放U3；所述电压跟随器的同相输入端接信号发生器的输出端，电压跟随器的反相输入端接其输出端，电压跟随器的输出端接可调电阻R9的输入端；所述可调电阻R9的输出端接运放U1的同相输入端，可调电阻R9的输入端还依次经过电阻R10和R11与运放U1的输出端相连；所述运放U1的同相输入端还经电容C1接地，运放U1的反相输入端连接在电阻R10与R11之间的节点上，运放U1的输出端接可调电阻R12的输入端；所述可调电阻R12的输出端接运放U2的同相输入端，可调电阻R12的输入端还依次经过电阻R13和R14与运放U2的输出端相连；所述运放U2的同相输入端还经电容C1接地，运放U2的反相输入端连接在电阻R13与R14之间的节点上，运放U2的输出端接运放U3的同相输入端；所述运放U3的输出端依次经过电阻R16和R15接地，运放U3的反相输入端连接在电阻R15与R16之间的节点上。
6.根据权利要求3所述的一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统，其特征在于：所述低通滤波器包括电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、运放U4和运放U5；所述运放U4的同相输入端依次经电阻R18和R17接乘法器的输出端，运放U4的同相输入端还经电容C3接地，运放U4的反相输入端经电阻R19接地，运放U4的反相输入端还经电阻R20接运放U4的输出端，运放U4的输出端依次经电阻R21和R22接运放U5的同相输入端；所述电容C4的一端连接在电阻R17与R18之间的节点上，另一端接运放U4的输出端；所述运放U5的同相输入端经电容C5接地，运放U5的反相输入端经电阻R23接地，运放U5的反相输入端还经电阻R24接运放U5的输出端，运放U5的输出端接后置放大电路的输入端，运放U5的输出端还经电容C6连接在电阻R21与R22之间的节点上。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）采用His/MES、CTAB电渗流抑制剂和去离子水制备缓冲液；
（2）将缓冲液通过缓冲液蓄水池注满整个微管道，由于缓冲液中含有CTAB电渗流抑制剂，在此条件下，离子在微管道中所受的电渗流力将被抑制，阳离子和阴离子在相同的高压条件下迁移方向相反；
（3）将待测样品加注于样品蓄水池；
（4）控制模块控制高压发生控制模块产生500 V高压V1，并导通高压继电器R1、R3，则样品蓄水池被施加500V高压，样品废液池接地，阳离子会从样品蓄水池向样品废液池迁移，此时微管道的十字交叉区域会充满阳离子；而后控制模块控制高压发生控制模块关闭高压V1及高压继电器R1、R3，产生2000 V高压V2，并导通高压继电器R5、R7，则缓冲液蓄水池被施加2000 V高压，缓冲液废液池接地，微管道十字交叉区域的阳离子会向缓冲液废液池迁移；
（5）信号发生器产生交流激励信号给发射电极，接收电极会接收到一个同频的电流信号，当阳离子迁移通过发射电极与接收电极之间的非接触电导检测模块的检测区域时，接收电极上的电流信号幅度发生变化，该幅度变化通过非接触电导检测模块被采样出来，并传输给控制模块进行计算，从而得到阳离子的种类及浓度信息；
（6）当阳离子迁移进入缓冲液废液池后，控制模块控制高压发生控制模块关闭高压V2及高压继电器R5、R7，产生500 V高压V1，并导通高压继电器R2、R4，则样品蓄水池接地，样品废液池被施加500 V高压，阴离子会从样品蓄水池向样品废液池迁移，此时微管道的十字交叉区域会充满阴离子；而后控制模块控制高压发生控制模块关闭高压V1及高压继电器R2、R4，产生2000 V高压V2，并导通高压继电器R6、R8，则缓冲液蓄水池接地，缓冲液废液池被施加2000 V高压，微管道十字交叉区域的阴离子会向缓冲液废液池迁移，当阴离子通过非接触电导检测模块的检测区域时被检测出来，并传输给控制模块进行计算，从而得到阴离子的种类及浓度信息。
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| CN201810739196.4A Pending CN109030609A (zh) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | 一种可同步检测阴阳离子的微芯片电泳系统及其检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109030609A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110579527A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-12-17 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种带有离子在线富集装置的电泳微芯片及检测方法 |
| CN111239202A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-05 | 湖南理工学院 | 一种微流控芯片非接触电导检测装置及制备方法 |
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| WO2004029580A2 (en) * | 2002-09-25 | 2004-04-08 | Amersham Biosciences (Sv) Corp | High density fluidic chip design and method of sample injection |
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-
2018
- 2018-07-06 CN CN201810739196.4A patent/CN109030609A/zh active Pending
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| CN110579527B (zh) * | 2019-08-28 | 2021-08-13 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种带有离子在线富集装置的电泳微芯片及检测方法 |
| CN111239202A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-05 | 湖南理工学院 | 一种微流控芯片非接触电导检测装置及制备方法 |
| CN111239202B (zh) * | 2020-02-26 | 2022-05-17 | 湖南理工学院 | 一种微流控芯片非接触电导检测装置及制备方法 |
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