CN1402010A - 一种用于微分析芯片液体引入的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于微分析芯片液体引入的装置，该装置由至少一个液体引入口、至少一个液体引出口、至少一个液体引入口和液体引出口之间的与微芯片上至少一个微通道相通的流动通道三部分构成。本发明的优点是能在微芯片分析系统中实现自动化的高效率的连续液体引入。

Description

一种用于微分析芯片液体引入的装置

                          技术领域

本发明涉及微芯片分析领域，目前该领域名称较多，有称微全分析系统(Micro total analysis systems，μTAS)，亦有称芯片实验室(Lab on a chip)，或称微流控芯片(Microfluidic chips)，或称生物芯片(Biochip)，或称微芯片分析(Microchip analysis)，以下统称微芯片分析。

                           背景技术

微分析芯片通常由上4、下5两层或多层芯片构成，芯片的材质为单晶硅、或石英、或玻璃、或高分子聚合物等；芯片的几何尺度：长为1-500毫米，宽为1-500毫米，厚度为0.1-20毫米；采用微加工方法在芯片上(通常为上片)刻蚀出一定构型的微通道，微通道宽度1-10000微米，深度1-5000微米；在芯片上垂直打孔，构成微通道与外界的进出通道，孔径1-50000微米；将上层芯片4和下层芯片5封合，形成封闭的微通道网络，构成完整的微分析芯片。在上层芯片上有贮存试样、试剂、废液的贮液池，以往的贮液池加工方法多采用如图二描述的方法，即在芯片上固定柱形管(内径0.1-500毫米，高1-100毫米)的方法形成井形贮液池。目前，在文献发表的微芯片分析系统中，用于贮存试样、试剂、废液的贮液池的共同特征是贮液池均为单开口方式。实际进行试样测定时，向贮液池中加入试样和试剂，通过一定的微流体控制技术，完成在芯片上对试样的分离分析操作。更换其中的液体时，需吸出池中原液体，以清洗液或欲引入液体清洗(加入和吸出)贮液池1-5次；再加入欲引入的液体。液体的引入方法多数采用手工法进行(Manz-A，Becker-H，(Eds)Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences，Springer，Berlin，1999)，少数采用自动方法完成(Van den Berg-A，Olthuisi-W，Bergveld-P，(Eds.)，Micro Total Analysis Systems 2000，Kluver AcademicPublishers，The Netherlands，2000，391)。在微芯片分离分析中，有关试样的引入操作，进行较多。即当分析系统测定不同的试样时，需采用手工或自动方法多次更换试样贮液池中的试样(即换样操作)。以文献报道较多的采用电渗泵为动力的微流控分析系统为例，通常其具体操作包括：切断工作电压；移出样品池中电极，清洗电极；吸出池中原样品溶液；以清洗液或新样品溶液清洗(加入和吸出)样品池1-5次；加入新样品溶液；电极移入样品池中；开启工作电压，系统恢复工作。目前采用的这种换样方式操作虽简单，但其缺点是步骤繁琐费时，效率不高；采用非连续式试样引入方法在换样阶段需中断样品的分析操作，降低了系统的分析速度；系统也难以进行数量较多的样品测定和在线过程监测。也有用自动方法(Van den Berg-A，Olthuisi-W，Bergveld-P，(Eds.)，Micro Total Analysis Systems 2000，Kluver Academic Publishers，The Netherlands，2000，391)代替手工法实现连续换样的报道，该系统虽可实现试样引入操作的自动化，但其过程基本模仿手工操作的步骤，换样效率依然不高。

目前，有关此问题的一种解决思路是采用一次性的试样引入方法，避免试样的更换操作。其具体方法包括：在微芯片分析系统中采用一次性使用芯片的方法；采用在芯片上加工多个样品池的方法(Agilent Bioanalyzer 2100，http：//www.chem.agilent.com)，或在芯片上加工多个分析单元的方法(Shi-Y，Simpson-PC et al.，Anal.Chem.71，1999，535)测定前一次性引入多个样品，在芯片上实现对不同试样的测定。但这种方法换样数量受芯片大小的限制，换样程序不够灵活，速度慢，也难以进行在线过程监测。而且在目前芯片成本较高的情况下，对仍具有多次重复测定能力的芯片采用一次性使用的方法，不利于方法的推广。如需继续使用则仍存在一个更换芯片上所有样品的换样问题。

                            发明内容

本发明的目的是提供一种用于微分析芯片的液体引入接口装置，代替以往的单开口式贮液池，实现微芯片上高效率的连续的液体引入。该装置功能上同时具有液体连续引入引出和液体贮存两个功能。该装置既可用于芯片上试样的贮存和更换，也可用于微芯片分析系统中其他溶液或液体的贮存和更换。

本发明涉及的是微分析芯片上的流通式液体引入接口装置，根据本发明，其特征在于该装置由至少一个液体引入口、至少一个液体引出口、至少一个液体引入口和液体引出口之间的与微芯片上至少一个微通道相通的流动通道三部分构成。

根据本发明，所述的液体引入口、液体引出口、液体引入口和液体引出口之间的流动通道，三者通道的横截面积在100平方微米-100平方毫米之间。采较大的通道横截面积，有利于减小液体引入流动对微芯片上微通道内分析过程的干扰。采用较小的通道横截面积有利于降低液体引入量，节省被引入的液体。根据本发明，液体引入口与液体引出口二者之间的流动通道构型可有多种选择，较易实现的有：直线形通道，一个液体引入口和一个液体引出口分别位于直线形流动通道的两端；“U”型通道，一个液体引入口和一个液体引出口分别位于“U”形流动通道的两端；“Z”型通道，一个液体引入口和一个液体引出口分别位于“Z”形流动通道的两端；口径较大通道内套口径较小通道的套管型通道。

较为有利的是，液体引入口与液体引出口之间的直线形流动通道在芯片上的安置方式，采用沿重力方向的垂直型通道，或通道在同一水平面上的水平型通道。

根据本发明，所述的装置可有两个或两个以上的液体引入口与流动通道相连通，以实现多种液体的同时引入。

本发明装置中液体的引入、引出操作通常会导致贮液池中液体与大气相接触的出口液面发生高低的变化，继而产生芯片上液位差的变化，有可能干扰芯片上正常的分离分析过程。根据本发明的另一个特点，其特征是利用流出液体在液体引出口的溢流现象，通过调节液体引出口到预先确定的水平位置，并在分析过程中，保持其水平位置不变，达到调节装置内液体与大气相接触液面的水平位置，并保持在分析过程中该液位水平位置稳定的目的。其原理是利用液体自身的重力和流动性，当由流通式贮液池入口引入液体时，池中多余的液体由其溢流型出口溢出流走，贮液池中的出口液面始终保持与出口相同的水平面上，溢流型出口的水平位置即是装置中出口的液面位置。在分析过程中，只要保证流通式贮液池溢流型出口的水平位置不变，就可保证其出口液面位置的恒定。

较为有利的是，前述的液体引出口的出口方向应沿重力方向垂直向上。

根据本发明另一个特点，涉及的是有关溢流型出口制作，其特征是在装置的液体引出口的周围安装吸液导流套。目的是利用吸液物质的较强的吸液能力，快速将贮液池出口溢出的液体吸收并导引流入废液容器，以避免因液体由贮液池中流出速度变化所造成的流通式贮液池溢流型出口液面位置的波动。较简单的方法是，采用滤纸套筒制作前述的吸液导流套。

根据本发明的另一个特点，涉及的是安装有本发明装置的微分析芯片上的其他单开口贮液池的缓冲型液位稳定装置。目的是在芯片的分离分析过程中，贮液池中液体的液位只产生相对较小的变化，不致对分离分析过程有显著的影响，从而使微分析芯片液体引入装置能在较长一段时间内持续工作。该液位稳定装置的特征是使用具有较大的水平截面积的贮液池，使在芯片分离分析过程中，在一定时间内，贮液池中液体体积的变化只产生相对很小的液位变化。较有利的是，前述的单开口贮液池的水平截面积应大于50平方毫米。

本发明的优点是可实现自动化的高效率的连续液体引入；换样操作与样品的分析操作可同时进行，互不干扰，系统其他分析性能(如分析速度、分离性能等)不受换样操作的影响；换样量小，节省样品；换样速度快，可进行高通量的不同样品的测定；适于进行多试样的快速测定，尤其适于进行高分辨的在线过程监测可进行高分辨的在线过程监测。

                        附图说明

图1.是安装有根据本发明一个优选实施例1的毛细管电泳分析微芯片；

图2.是图1微芯片上使用的单开口式贮液池的侧面剖视图；

图3.是图1.中根据本发明的液体引入装置的侧面剖视图；

图4.是根据本发明的又一个实施例2的侧面剖视图；

图5.是实施例2的俯视图；

图6.是根据本发明的再一个实施例3的侧面剖视图；

图7.是实施例3的俯视图；

图8.是根据本发明的再一个实施例4的侧面剖视图；

图9.是实施例4的俯视图；

图10.是根据本发明的再一个实施例5的侧面剖视图；

图11.显示考察实施例1装置携出性能的结果记录图；

图12.显示安装有实施例1装置的微芯片分析系统连续对不同氨基酸试样进行快速分析的记录图；

图13.显示安装有实施例1装置的微芯片分析系统应用于在线监测异硫氰酸荧光素(FITC)标记不同氨基酸反应过程的记录图。

                   具体实施方式

参照附图，以下将详细描述根据本发明的一个优选实施例1。

图1.是安装有根据本发明的一种液体引入装置的毛细管电泳分析微芯片。芯片由上4、下5两玻璃片组成，玻璃片长度、宽度、厚度分别为60毫米、30毫米、1.7毫米。采用经典的光掩膜和湿法刻蚀技术在上片4加工十字形微通道。微通道宽度为100微米，深度为23微米。分离通道7长度为38毫米，进样通道6长度为15毫米，两者在距分离通道7端部5毫米处交叉。用1.7毫米的钻头分别在十字形微通道的端部钻孔，形成分别对应贮液池8、9、10，和本发明的液体引入装置11的连通微通道6的孔道。同时，在下片5对应本发明装置11的位置以相同的钻头钻孔，待上4、下5两片封合后，可形成上下贯通的入口1和出口2间的垂直通道3。采用经典高温键合的方法实现上4、下5两片的永久封合。

图2是采用经典方法制作的单开口式贮液池的侧面剖视图。截取1.5毫升离心管端部10毫米高的圆柱形塑料管，以钻孔为圆心用胶粘剂18固定于上片4，形成贮液池8、9、10。

图3是根据本发明的液体引入装置11的侧面剖视图。本发明装置11出口2的制作方法是：取一6毫米高，上口内径2.3毫米，下口内径1.7毫米的圆锥形管22，以钻孔为圆心用胶粘剂18固定于上片4上，圆锥形管外圈以滤纸套筒21包裹，滤纸套筒21上沿高出圆锥形管22上沿2毫米。将30毫米长，6毫米宽的半圆形塑料导流槽12以胶粘剂18固定于圆锥形管22和滤纸套筒21周围，导流槽12内放置40毫米长，4毫米宽的导流滤纸条13，导流滤纸条13一端与滤纸套筒21相接触，一端置于导流槽12的出口。本发明装置11入口1的制作方法是：取一6毫米高，上口外径1.5毫米，下口外径2.5毫米的圆锥形管23，以圆锥形管23上口插入钻孔内1毫米深。取一30毫米长，内径0.5毫米，外径1.5毫米的弹性塑料管15插入圆锥形管23的下口内。取10毫米长，0.3毫米外径的铂丝24穿过圆锥形管23管壁插入钻孔内，其尖端插至芯片微进样通道6入口处，铂丝24的另一端与毛细管电泳电源导线16相连。分别以胶粘剂18将上述装置固定于芯片下片5。

本发明装置11通过0.35内径，20厘米长的聚四氟乙烯导管与提供换样动力的蠕动泵相连。本发明装置11采用电源悬浮或装置11接地的方法，避免毛细管电泳分析工作中进样高电压对换样动力系统的影响。

在微芯片毛细管电泳分离分析过程中，可采用多种换样方法。其中较为常用的是：换样在分离过程的某个时段内，与毛细管电泳分离同时进行，在其他分离和进样时段本发明装置11内停流；另一种换样方法是气泡间隔换样法，试样在两段空气夹带下被引入本发明装置11，使得系统可采用较小的试样体积，起到节省试样，加快换样速度的作用；再一种换样方法是连续换样方式，在分离分析过程进行的同时，换样操作无间歇连续进行。

采用以上装置，及激光诱导荧光检测器，以毛细管电泳法分离了异硫氰酸荧光素(FITC)标记的氨基酸。图11、图12和图13是分离结果的记录图。图11显示在本实施例中流通换样池对不同浓度试样的携出量小于1.5％。其中试样1与试样2浓度相差一倍，说明该液体引入装置在携出方面的良好性能。图12为在本实施例中微芯片分析系统在短时间内对不同试样的测定结果，显示了该液体引入装置具有对不同试样进行高通量分析的能力。图13为在本实施例中微芯片分析系统进行在线监测异硫氰酸荧光素(FITC)标记不同氨基酸反应过程记录图，显示该液体引入装置具有进行长时间、高分辨在线过程监测的能力。参照附图4和5，以下将描述根据本发明的又一个实施例2。

图4是根据本发明的实施例2的侧面剖视图。图5是实施例2的俯视图。其中，液体引入口1与液体引出口2二者之间的流动通道3构型为直线形通道，且通道为在同一水平面上的水平型通道，通道3中间与微芯片上的微通道6相通。同时，该装置采用两个液体引入口1，可同时引入两种不同的液体20和25。粗箭头表示被引入液体的流动方向。

参照附图6和7，以下将描述根据本发明的再一个实施例3。

图6是根据本发明的实施例3的侧面剖视图。图7是实施例3的俯视图。其中，液体引入口1与液体引出口2二者之间的流动通道3为垂直的“U”型通道构型。液体引入口1和液体引出口2分别位于“U”形流动通道3的两端。通道3中间与微芯片上的微通道6相通。粗箭头表示被引入液体的流动方向。

参照附图8和9，以下将描述根据本发明的再一个实施例4。

图8是根据本发明的实施例4的侧面剖视图。图9是实施例4的俯视图。其中，液体引入口1与液体引出口2二者之间的流动通道3为“Z”形通道构型。液体引入口1和液体引出口2分别位于“Z”形流动通道3的两端。通道3中间与微芯片上的微通道6相通。粗箭头表示被引入液体的流动方向。

参照附图10，以下将描述根据本发明的再一个实施例5。

图10是实施例5的侧面剖视图。其中，一外径较小导管26插入微芯片上外径较大的通道3内，形成套管型通道结构。通道3底部与微芯片上的微通道6相通。粗箭头表示被引入液体的流动方向。

Claims (13)

1.一种用于微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，该装置由至少一个液体引入口、至少一个液体引出口、至少一个液体引入口和液体引出口之间的与微芯片上至少一个微通道相通的流动通道三部分构成。

2.根据权利要求1所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述的液体引入口、液体引出口、液体引入口和液体引出口之间的流动通道，三者的横截面积在100平方微米-100平方毫米之间。

3.根据权利要求1所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述液体引入口与液体引出口二者之间的流动通道构型为直线形，一个液体引入口和一个液体引出口分别位于直线形流动通道的两端。

4.根据权利要求2所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述液体引入口与液体引出口之间的流动通道在微分析芯片上的的安置方式为沿重力方向的垂直型通道。

5.根据权利要求2所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述液体引入口与液体引出口之间的流动通道在微分析芯片上的安置方式为通道在同一水平面上的水平型通道。

6.根据权利要求1所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述液体引入口与液体引出口之间的流动通道构型为“U”型通道，一个液体引入口和一个液体引出口分别位于“U”形流动通道的两端。

7.根据权利要求1所述的微分析芯片液体引入装置，其特征在于，所述液体引入口与液体引出口之间的流动通道构型为“Z”型通道，一个液体引入口和一个液体引出口分别位于“Z”形流动通道的两端。

8.根据权利要求1所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述液体引入口与液体引出口之间的流动通道构型为口径较大通道内套口径较小通道的套管型通道。

9.根据权利要求1所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述的装置可有两个或两个以上液体引入口与流动通道相连通。

10.根据权利要求1所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述液体引出口的出口方向为沿重力方向垂直向上。

11.根据权利要求1或10所述的微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述液体引出口的周围安装吸液导流套。

12.根据权利要求11所述的微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，所述的吸液导流套采用滤纸套筒。

13.根据权利要求1所述微分析芯片液体引入的装置，其特征在于，安装有该装置的微分析芯片上的其他单开口贮液池水平截面积大于50平方毫米。

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