CN1223853C - 一种聚合物芯片微通道内表面预处理的方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：在使用前对聚合物芯片进行预电泳以改变微通道内表面的性质，使微通道内电渗流的大小或方向改变；预电泳时将表面活性剂添加在运行缓冲液中，表面活性剂包括：阴离子表面活性剂，阳离子表面活性剂，两性离子表面活性剂，中性分子表面活性剂。本发明方法可以根据芯片毛细管电泳分离的需要，对芯片微通道内表面进行预处理，随意调节聚合物芯片微通道内电渗流的大小包括方向。
Description
技术领域：
本发明涉及微流控技术，特别提供了一种聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，以控制微通道内的电渗流。
背景技术：
电渗是一种液体相对于带电的管壁移动的现象。电渗的产生和偶电层有关，由于用作毛细管材料的熔融硅胶的等电点为1.5左右，因此在常用缓冲液pH下，管壁带负电，于是在贴近管壁的液体表面形成了一个和表面电荷异号的偶电层，在毛细管电泳里所指的电渗实际上是高压电场下由偶电层中水合阳离子或质子所引起的流体朝负极方向的运动。电渗是毛细管电泳的基本现象之一，它可以控制组分的迁移速度和方向，进而影响毛细管电泳的分离效率和重现性，所以电渗的控制是毛细管电泳研究的一大关键。微流控芯片虽然以电泳芯片为操作平台，但由于它仍以电渗为主要驱动力，因此在芯片毛细管电泳中控制电渗也是保证分离分析效果的一大关键因素。理想的电渗控制方法必须不仅能稳定电渗，而且能随机调节电渗的大小包括改变其方向。理论上，凡能影响电渗的因素都有可能用于电渗的控制，但实际上能理想的控制电渗而不影响分离效果的控制方法目前还不多见。
毛细管电泳芯片的通道横截面尺寸一般在微米级，宽度在20～200微米之间，高度在10～100微米之间，通道长在几厘米范围之内。由于电渗流的大小包括方向是由电泳芯片微通道内壁的电荷分布决定的，因此了解芯片材料表面性质对了解微通道内的电渗流是十分重要的。目前聚合物芯片因其制作相对简单、成本相对较低、易于商品化而引起广泛的关注和研究兴趣，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯、聚酯等，但大部分聚合物的表面性质还不是很清楚，因此很难对聚合物芯片微通道内的电渗流进行很好的控制，限制了该类芯片的发展和应用。
目前多采用电流监控的方法对电渗流进行测定。文献1(Henry，A.C.，Tutt，T.J.，Galloway，M.，Davidson，Y.Y.，Mcwhorter，C.S.，Soper，S.A.，Mccarley，R.L.，Anal.Chem.2000，72，5331-5337.)和2(Henry，A.C.，Waddell，E.A.，Shreiner，R.，Locascio，L.E.，Electrophoresis 2002，23，791-798.)通过化学反应引入新的功能团、文献3(Barker，S.L.R.，Tarlov，M.J.，Canavan，H.，Hickman，J.J.，Locascio，L.E.，Anal.Chem.2000，72，4899-4903.)和4(Liu，Y.，Fanguy，J.C.，Bledsoe，J.M.，Henry，C.S.，Anal.Chem.2000，72，5939-5944.)通过多层聚合物电解质吸附、文献2和5(Bianchi，F.，Chevolot，Y.，Mathieu，H.J.，Girault，H.H.，Anal.Chem.2001，73，3845-3853.)在不同的气体条件下通过激光消融等方法分别对聚合物芯片微通道内壁进行修饰，发现对微通道内的电渗流有一定的影响。此外，也有人尝试用表面活性剂作为添加剂，通过吸附改变通道内壁电荷分布。文献6(Xu，W.，Uchiyama，K.，Shimosaka，T.，Hobo，T.，J.Chromatogr.A.2001，907，279-289.)和8(Ocvirk，G.，Munroe，M.，Tang，T.，Oleschuk，R.，Westra，K.，Harrison，D.J.，Electrophoresis 2000，21，107-115)通过添加十二烷基硫酸钠(SDS)分别对聚酯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片微通道进行了修饰，文献7(Wang，S.C.，Perso，C.E.，Morris，M.D.，Anal.Chem.2000，72，1704-1706.)通过添加十六烷基三甲基季胺氯(CTAB)对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片内壁进行修饰，实验发现对聚合物芯片微通道内的电渗流有所影响，但无法根据电泳分离的需要对通道内的电渗流进行全方位的控制。
发明内容：
本发明的目的是为了克服上述限制，根据芯片毛细管电泳分离的需要，对芯片微通道内表面进行预处理，提供一种随意调节聚合物芯片微通道内电渗流的大小包括方向的方法。
本发明提供了一种聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：在使用前对聚合物芯片进行预电泳以改变微通道内电渗流的大小或方向，预电泳时将表面活性剂添加在运行缓冲液中；表面活性剂包括：阴离子表面活性剂，选自癸烷硫酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠(SDS)、十四烷基硫酸钠、聚氧乙烯十二烷醚硫酸钠、N-月桂酰-N-甲基牛磺酸钠、N-十二烷基-L-缬氨酸钠、胆酸、脱氧胆酸、牛磺胆酸、全氟庚酸钾之一种或多种；阳离子表面活性剂，选自十二烷基三甲基氯化铵、十二甲基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)之一种或多种；两性离子表面活性剂，选自胆酰胺丙基二甲基氨基丙磺酸、胆酰胺丙基二甲基氨基-2-羟基丙磺酸之一种或多种；中性分子表面活性剂，选自聚氧化乙烯-23-十二烷基醚(Brij35)、辛基葡萄糖苷、十二烷基-β-D-麦芽糖苷、Triton X-100之一种或多种。
本发明聚合物芯片微通道内表面预处理的方法中，所述缓冲液为磷酸缓冲液。
本发明聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，当需要增加电渗流时，应以阴离子表面活性剂为添加剂，阴离子表面活性剂的浓度最好应在1×10-5mol/L～1×10-2mol/L之间。当需要减小电渗流时，应以中性表面活性剂为添加剂，或者以阳离子表面活性剂为添加剂，中性表面活性剂的浓度最好应在0.0005％～10％g/mL之间；阳离子表面活性剂的浓度最好应在1×10-9mol/L～2×10-5mol/L之间。当需要改变电渗流方向时，应以阳离子表面活性剂为添加剂，其浓度最好应在1×10-4mol/L～1×10-1mol/L之间。
本发明聚合物芯片微通道内表面预处理的方法中，预电泳的时间最好在5～60分钟。预电泳时，在微通道两端入口池内分别加入不同浓度的电泳缓冲液，二者的浓度差异最好在5％以上，电泳缓冲液内均含有相同浓度的表面活性剂。
本发明由表面活性剂作为电泳缓冲液中的添加剂，通过表面活性剂与聚合物芯片微通道内壁的疏水相互作用、静电作用等相互作用，来改变微通道内壁的电荷分布，从而控制电渗流的大小和方向。
本发明方法中各种不同种类的表面活性剂添加到运行缓冲液中后，对电渗流的影响是不同的。阴离子表面活性剂在低浓度时对电渗流的影响并不大，只有浓度达到1×10-4mol/L以上时才能对电渗产生较大的影响，尤其是使微通道内的运行缓冲液pH在3.0时的电渗值有较大的增加，与pH9.0时的电渗大小相差不多。对于阳离子表面活性剂，随着表面活性剂浓度的增加，对电渗的影响逐渐加大，浓度在2×10-4mol/L左右时，电渗逐渐减小至零，随着浓度的进一步增加，电渗流反向达到一个稳定的值。在运行缓冲液pH为3.0时，以中性表面活性剂为添加剂，电渗几乎一直为零，而在pH为9.0时，电渗值随着表面活性剂浓度的增加而不断减小，当浓度达到5％以上时，电渗值趋向零，电渗完全被抑制。
本发明方法提供的控制聚合物微通道内电渗流的技术十分简便有效。表面活性剂溶解在运行缓冲液中，经过不少于五分钟的预电泳，微通道内的电渗流的大小和方向即可改变。
附图说明：
图1为微通道内分别被空白电泳缓冲液、含有SDS的电泳缓冲液、含有CTAB的电泳缓冲液预电泳后，微通道内的电渗流随缓冲液pH的变化。
图2为微通道内被含有不同SDS浓度的电泳缓冲液预电泳后，微通道内的电渗流随SDS浓度的变化
图3为微通道内被含有不同CTAB浓度的电泳缓冲液预电泳后，微通道内的电渗流随CTAB浓度的变化
具体实施方式：
微通道内的电渗流通过电流监控的方法进行测定：首先用二次水、含有一定浓度的表面活性剂的低浓度运行缓冲液分别冲洗微通道各5分钟，在微通道两端的缓冲池内分别加入等量的含有一定浓度的表面活性剂的低浓度的运行缓冲液，高压电源通过插在缓冲池内的白金电极与微通道内的运行缓冲液相连，在微通道两端串联上一个电阻，加上一定的电压，使微通道内的电场强度(E)在150V/cm左右，预电泳5分钟，测量串联电阻两端的电压，使微通道内的电流稳定。停止加压后，取出缓冲液池内的液体，在接地端的缓冲池内加入含有一定浓度表面活性剂的低浓度缓冲液，同时在高压端的缓冲池内加入等体积的含有相同浓度表面活性剂高浓度缓冲液，缓冲液浓度的差异最好应在5％以上，再次加上高压后，测量串联电阻两端的电压，记录其电流变化所需的时间，以此时间作为中性物质在通道内的迁移时间(t)，由μeo＝L/E*t(μeo为微通道内的电渗流，L为微通道的长度)，得出微通道内的电渗流大小和方向。
实施例1
以含有1.0×10-3mol/L的SDS、pH范围在3.0-10.0之间的一系列磷酸缓冲液作为电泳运行缓冲液，在PMMA芯片微通道内预电泳约5分钟，然后测定不同pH时微通道内的电渗值，发现微通道内的电渗随pH的变化不大，基本保持稳定的3.5×10-4cm2V-1s-1大小的负向电渗流。见附图1
实施例2
重复实施例1，以5.0×10-4mol/L的CTAB作为添加剂，所得到的电渗流反向，即为正向电渗流，随着pH的增加，电渗先是降低，在pH7.0以后得到一个稳定的正向电渗流，其值大小约为2.0×10-4cm2V-1s-1。见附图1。
实施例3
配置一系列SDS浓度范围在0～1.0×10-3mol/L之间的pH分别为3.0和9.0的磷酸缓冲液，在PMMA芯片的微通道内预电泳约5分钟，分别测定pH3.0和9.0时SDS浓度的变化对电渗流造成的影响：发现在低pH时，只有SDS浓度足够大(≥1.0×10-4mol/L)时，微通道内的电渗流才有较大改变；而在高pH时，SDS浓度对电渗流的影响不大；在SDS浓度为1.0×10-3mol/L时，pH3.0和9.0时电渗值相差不大，大约为3.5×10-4cm2V-1s-1，均为负向电渗流，见附图2。
实施例4
重复实施例3，以CTAB作为添加剂，其浓度范围在0～1.0×10-3mol/L之间，发现在低pH时，电渗值有两个平台，在CTAB浓度为2×10-5mol/L时，电渗值达到第一个平台为零，随着CTAB浓度增加，电渗流开始反向并达到一个新的平台，约为3.5×10-4cm2V-1s-1；在高pH时，电渗流随着CTAB浓度增加逐渐减小至零，然后反向达到一个新的平台，其值与低pH相近。见附图3。
实施例5
重复实施例3，以Brij35作为添加剂，其浓度范围在0-5％之间，发现在低pH时，电渗流的变化不大，基本为零；而在高pH时，电渗流随Brij35浓度增加而减小，Brij35浓度为5％时电渗值降至零，见附表1。
附表1.微通道内被含有不Brij35浓度的电泳缓冲液预电泳后，微通道内的电渗流随Brij35浓度的变化
Table 1.Effect of Brij 35 on electroosmotic mobility
| [Brij 35]％(g/mL) | μeofpH3×10-4m2/Vs | μeofpH9×10-4cm2/Vs |
| 00.0050.010.050.115 | 00----- | 2.762.542.411.671.170.880 |
Claims (10)
1、一种聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：在使用前对聚合物芯片进行预电泳以改变微通道内表面的性质，使微通道内电渗流的大小或方向改变；预电泳时将表面活性剂添加在运行缓冲液中，表面活性剂包括：阴离子表面活性剂，选自癸烷硫酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十四烷基硫酸钠、聚氧乙烯十二烷醚硫酸钠、N-月桂酰-N-甲基牛磺酸钠、N-十二烷基-L-缬氨酸钠、胆酸、脱氧胆酸、牛磺胆酸、全氟庚酸钾之一种或多种；阳离子表面活性剂，选自十二烷基三甲基氯化铵、十二甲基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵之一种或多种；两性离子表面活性剂，选自胆酰胺丙基二甲基氨基丙磺酸、胆酰胺丙基二甲基氨基-2-羟基丙磺酸之一种或多种；中性分子表面活性剂，选自聚氧化乙烯-23-十二烷基醚、辛基葡萄糖苷、十二烷基-β-D-麦芽糖苷、Triton X-100之一种或多种。
2、按照权利要求1所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：所述缓冲液为磷酸缓冲液。
3、按照权利要求1或2所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：当需要增大电渗流时，以阴离子表面活性剂为添加剂。
4、按照权利要求3所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：阴离子表面活性剂的浓度应在1×10-5mol/L～1×10-2mol/L之间。
5、按照权利要求1或2所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：当需要减小电渗流时，以中性表面活性剂为添加剂，或者以阳离子表面活性剂为添加剂。
6、按照权利要求5所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：以中性表面活性剂为添加剂减小电渗流时，其浓度应在0.0005％～10％g/mL之间。
7、按照权利要求5所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：以阳离子表面活性剂为添加剂减小电渗流时，其浓度应在1×10-9mol/L～2×10-5mol/L之间。
8、按照权利要求1或2所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：当需要改变电渗流方向时，以阳离子表面活性剂为添加剂。
9、按照权利要求8所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：阳离子表面活性剂的浓度应在1×10-4mol/L～1×10-1mol/L之间。
10、按照权利要求1或2所述聚合物芯片微通道内表面预处理的方法，其特征在于：预电泳的时间应在5～60分钟之间。
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