CN1804633A

CN1804633A - 液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片及其制备方法

Info

Publication number: CN1804633A
Application number: CN 200610049115
Authority: CN
Inventors: 陈恒武; 蔡增轩
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2006-07-19

Abstract

本发明涉及一种集成化液液萃取－毛细管电泳联用芯片。该方法的特征是，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。本发明提出的制备集成化多层结构芯片的方法具有加工工艺简单易行，无须洁净实验室的特点；所制备的叠层式集成化支持液膜萃取反萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片具有体积小，成本低，集试样预处理功能和毛细管电泳分离分析功能于一体的优点。

Description

液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及的领域为微流控分析芯片，特别是涉及一种集成有支持液膜萃取反萃取试样预处理单元的毛细管电泳微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微型全分析系统以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微通道网络为结构特征，把试样的采集、预处理、分离、反应、检测等功能单元集成在几到几十平方厘米面积的芯片内，通过试样和试剂的流动，高效、快速地完成待测定组分的分离和分析。微全分析系统的核心为微流控芯片。微流控芯片一般由上下两层刻有二维通道网络的单晶硅、石英、玻璃、高分子聚合物片所组成。微通道宽度和深度一般在微米数量级。毛细管电泳芯片是目前研究报道最多的微流控分析芯片，多数毛细管电泳芯片不包括试样于预处理单元，不能直接用于复杂试样的分离分析。

液液萃取是一种常用的试样预处理方法。它借助于“相似相溶”原理，通过控制试样pH等实验条件，可以将大体积试样水溶液中的微量疏水性待测化合物萃取到小体积的与水不互溶的有机溶剂中，使待测化合物与干扰化合物初步分离。如果再用另一有利于待测化合物溶解的水溶液将已经转移到有机相的待测化合物重新萃取回水相，该过程被称作反萃取。经过萃取和反萃取后，待测化合物可以大幅度地得到浓缩，并且与共存的干扰化合物分离。当萃取和反萃取作为气相色谱、液相色谱、毛细管电泳的在线试样预处理手段时，常在一个流通式萃取池中动态进行：用一片被有机溶剂浸润的多孔膜作为间隔，试样溶液和反萃取液分别在膜两侧的沟槽中流动，通过扩散和对流作用，待测化合物从试样溶液被萃取到支持于多孔膜上的有机相中，再被膜另一侧的反萃取液(水相)所反萃取。调节试样溶液的酸度、离子强度、流速和反萃取液的种类、流速等实验条件，可以调节富集倍率。

发明内容

本发明将萃取反萃取试样预处理单元集成于微流控芯片之上，与毛细管电泳分离分析单元在线耦联，形成一个具有试样预处理功能的分析系统，提高芯片毛细管电泳分离分析复杂试样中低浓度待测化合物的能力。

本发明涉及的集成化支持液膜萃取反萃取毛细管电泳联用芯片：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封合而成的四层三维通道结构。上层玻璃、中层玻璃及刻蚀在上层玻璃下表面的毛细管电泳通道网络及电泳通道的储液池组成毛细管电泳分离单元；中层玻璃下表面的反萃取液通道、下层玻璃上表面的试样通道、与夹它们之间的高聚物微孔膜、试样和反萃取液的进出口构成萃取反萃取单元；中层玻璃为毛细管电泳分离单元和萃取反萃取单元所共用，通过贯通中、上层玻璃的纵向的分流式接口使两分析单元耦合为一个完整的三维通道结构，构成本发明的液液萃取毛细管电泳联用芯片。

在上层玻璃的下表面、中层玻璃的下表面、及下层玻璃的上表面分别刻蚀有十字形电泳通道、“[”形反萃取液通道和“]”形试样通道。上层玻璃、中层玻璃及刻蚀在上层玻璃下表面的毛细管电泳通道、与电泳通道相连的储液池组成毛细管电泳分离单元，用高温键合法封合；中层玻璃下表面的反萃取液通道、下层玻璃上表面的试样通道、与夹它们之间的高聚物微孔膜、试样和反萃取液的进出口构成萃取反萃取单元。中层玻璃为毛细管电泳分离单元和萃取反萃取单元所共用，通过贯通中、上层玻璃的纵向小孔作为两分析单元的流通式接口，连接上部毛细管电泳进样通道的进口和下部的反萃取通道出口，使两个分析单元耦联耦合为一个三维通道结构。中层玻璃、下层玻璃、高聚物微孔膜所构成具有“三明治”结构的萃取反萃取单元，与上、中层的电泳单元对准后，用胶粘剂封合，构成本发明的液液萃取毛细管电泳联用芯片。这样，通过四层结构的设计，使不同功能的分析单元分布在一个三维通道网络上；通过分步刻蚀、分步键合的加工工艺，把用不同材质的基片组成为一个具有试样预处理功能的支持液膜萃取反萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片。

本发明的高聚物微孔膜为四氟乙烯微孔膜，厚度范围为5微米～100微米，孔径范围为1微米～10微米。

毛细管电泳通道的宽度和深度范围为5微米～200微米，深度范围为1微米～100微米；萃取通道和反萃取通道宽度范围为10微米～5000微米，深度范围为1微米～500微米。

本发明所述的液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片封接方法，其步骤是：

将加工有电泳通道网络及储液池的上层玻璃与加工有反萃取通道的中层玻璃位置对准后，放在程序升温高温炉中高温键合，组成毛细管电泳单元；

毛细管电泳单元封合后，在与中层玻璃的反萃取通道进出口、下层玻璃的试样通道进出口对应的位置上钻贯通上、中层玻璃的小孔，分别用作反萃取溶液和试样溶液的引进/出孔，其中连接中层玻璃下表面反萃取通道出口和上层玻璃下表面毛细管电泳进样通道进口的小孔即为耦联萃取单元和电泳单元的流通式接口；

将中层玻璃、高聚物微孔膜、下层玻璃的位置对准，使萃取通道和反萃取通道的中央直线部分在膜的两侧上下重合后固定；

将新配置的尚未固化的粘接剂施加于中下层玻璃之间的缝隙处，依靠毛细作用，胶粘剂扩散并充满中、下层玻璃片间的所有缝隙直到与四氟乙烯微孔膜边缘接触，放置使粘接剂固化，完成液液萃取单元的封接与整块集成化芯片的合拢。

本发明所的芯片采用重力驱动试样溶液和反萃取溶液，以浸润于聚四富氟乙烯微孔膜上的丁醇为支持液膜，实施动态萃取与反萃取操作；采用多路高压电源驱动芯片毛细管电泳分离；以激光诱导荧光检测。利用该集成化支持液膜萃取反萃取毛细管电泳芯片进行荧光素钠和丁基罗丹明B混合溶液的预分离富集和电泳分离分析。试验表明，集成了支持液膜萃取反萃取系统后，该芯片测得模型待测化合物荧光素钠的信号提高了7倍，而模型干扰物丁基罗丹明B的信号降低了4倍，充分显示了它的全分析功能。

本发明提出的制备集成化多层结构芯片的方法具有加工工艺简单易行，无须洁净实验室的特点；所制备的叠层式集成化支持液膜萃取反萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片具有体积小，成本低，集试样预处理功能和毛细管电泳分离分析功能于一体的优点。

附图说明

图1液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片的结构分解透视图。

图2液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片的俯视图

图3液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片在图2a-b位置的剖视图。

图1-3中。各数码标志分别为：1，上层玻璃片；2，中层玻璃片；3，下层玻璃片；4，四氟乙烯微孔膜；5，毛细管电泳通道网络；6，反萃取液通道；7，试样通道；8，缓冲液池；9，浓缩样废液池；10，缓冲废液池；11，流通式接口；12，试样溶液入口；13，反萃取液的入口；14，试样溶液出口；15，向微孔膜滴加有机溶剂的孔；16，微孔膜上试样溶液流入孔、17，微孔膜上试样溶液流出孔；18，胶粘剂层。

图4是目标化合物荧光素钠(FLN)和模型干扰物丁基罗丹明B(BRB)混合溶液的电泳记录图。其中：左，混合溶液在电泳分离前经过在线萃取反萃取预处理；右，混合溶液未经萃取反萃取预处理直接电泳分离。

具体实施方式

以下将详细描述根据本发明的优选实施例。

本集成化支持液膜萃取反萃取-毛细管电泳芯片由三片玻璃和一层聚四氟乙烯微孔膜所组成的四层结构(见图1)。在上层玻璃片1(25×60mm)上刻蚀宽50μm、深18μm的十字形毛细管电泳通道网络5，进样通道长10mm，分离通道总长40mm，有效分离长度35mm，在中层玻璃片2(25×60mm)的下表面刻蚀宽640μm、深65μm的“[”型反萃取液通道6，在下层玻璃片3(15×23mm)的上表面刻蚀宽640μm、深65μm的“]”型试样通道7。反萃取液通道6、试样通道7分别位于微孔膜4的上、下方，反萃取液通道6和试样通道7中，拟重叠的中央通道长度均为15mm。然后，在上层玻璃电泳通道5的其中三个端头处分别钻直径为1.2mm的孔，作为缓冲液池8、浓缩样废液池9和缓冲废液池10，(8-10号只贯穿上层玻璃)再与中层玻璃片(无通道的平面向上)对准，使反萃取通道的出口处于电泳进样(反萃取后的浓缩样)通道入口的正下方，在程序升温高温炉中高温键合组成毛细管电泳单元。封合后，在图1所示的12试样入口、13反萃液入口、14试样出口、15向支持膜滴加有机溶剂的孔位置用直径1.2mm钻头钻孔，在11位置用直径0.3mm钻头钻垂直孔，该孔连结毛细管电泳进样通道的入口和反萃液通道的出口，作为电泳单元和萃取单元的流通式接口，11-15号孔都贯穿电泳单元的两层玻璃。取一片7×19mm的四氟乙烯微孔膜4，孔径1.0微米，膜厚60微米，孔隙率为70-80％，在其上与试样入口12与出口14对应的位置各钻1.2mm的两个孔16和17，将电泳单元中层玻璃片2上的反萃取通道6向下，下层玻璃片3的试样通道7向上，四氟乙烯微孔膜4夹在中下两层玻璃中间，并使膜两侧的反萃取通道6与试样通道7的中央部分相互重叠，将刚刚调制好的半流体状胶粘剂施加在中下层玻璃片之间的缝隙处，依靠毛细作用，胶粘剂扩散并充满中、下层玻璃片间的所有缝隙直到与四氟乙烯微孔膜边缘接触。固化后，胶粘剂层18将中、下层玻璃片与四氟乙烯微孔膜封合在一起，并与上层玻璃一起形成四层结构的支持液膜萃取反萃取-毛细管电泳芯片。

图1是按本发明优选实施例方法加工的集成化支持液萃取反液萃取-毛细管电泳联用芯片的结构分解透视图，图2是该芯片的俯视图，图3是芯片在图2a-b位置的剖视图。

图4是采用优选实施例方法加工的集成化支持液萃取反液萃取-毛细管电泳联用芯片进行的在线支持液膜萃取反萃取试样预处理-毛细管电泳分离分析模型待测化合物荧光素钠和模型干扰物丁基罗丹明B混合溶液的电泳记录图。两种化合物的浓度相同，若不经支持液膜萃取反萃取的试样预处理过程，荧光素钠和丁基罗丹明B经电泳分离后，峰高近似相等(见图4右)。而经过在集成化芯片上的支持液膜萃取反萃取试样预处理后，因萃取反萃取条件有利于酸性模型待测化合物荧光素钠的从试样溶液向反萃取液的转移而使其浓缩于反萃取液，结果峰高增加了7倍；相反，由于萃取反萃取条件不利于模型干扰物丁基罗丹明B的从试样溶液向反萃取液的转移，结果该化合物在反萃取液中的浓度低于其在试样溶液中的原始浓度，峰高比不经萃取反萃取的情况下降低了4倍(见图4左)。该实验充分显示了本发明所加工的集成化支持液萃取反液萃取-毛细管电泳联用芯片的所具备的试样预分离富集功能。

Claims

1、一种液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片，其特征在于：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封合而成的四层三维通道结构，上层玻璃(1)、中层玻璃(2)及刻蚀在上层玻璃下表面的毛细管电泳通道网络(5)及电泳通道的储液池组成毛细管电泳分离单元；中层玻璃(2)下表面的反萃取液通道(6)、下层玻璃(3)上表面的试样通道(7)、与夹它们之间的高聚物微孔膜(4)、试样和反萃取液的进出口构成萃取反萃取单元；中层玻璃(2)为毛细管电泳分离单元和萃取反萃取单元所共用，通过贯通中、上层玻璃的纵向的分流式接口(11)使两分析单元耦合为一个完整的三维通道结构，构成本发明的液液萃取毛细管电泳联用芯片。

2、根据权利要求1所述的液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片，其特征在于电泳通道网络(5)是由进样通道和分离通道所构成的十字构型通道，缓冲液池(8)和缓冲废液池(10)与十字构型中的分离通道相连通，浓缩试样液池(11)和浓缩试样废液池(9)与十字构型中的进样通道相连通，其中浓缩试样液池(11)同时作为分流式接口，连结毛细管电泳进样通道的进口和反萃液通道(6)的出口。

3、根据权利要求1所述的液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片，其特征在于在中层玻璃片下表面上有一定构型的反萃取液通道(6)，该反萃取液通道的两端与反萃取溶液进口(13)和分流式接口(11)相连通；下层玻璃片(3)上表面有构型与反萃取液通道(6)镜面对称的试样通道(7)，反萃取液通道(6)和试样通道(7)分别位于高聚物微孔膜(4)的上、下方，试样通道(7)的两端经高聚物微孔膜(4)上的引导孔(16)和(17)，分别与试样溶液进口(12)、试样溶液出口(14)相连通；再加上向高聚物微孔膜滴加有机溶剂的孔(15)，构成萃取反萃取单元。

4、根据权利要求3所述的液液萃取毛细管电泳联用芯片，其特征在于反萃取液通道(6)的构型为“[”形，试样通道(7)的构型为“]”，两者镜面对称且中央的直线部分通道在高聚物微孔膜(4)的两侧上下重合。

5、根据权利要求1所述的液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片，其特征在于高聚物微孔膜(4)为四氟乙烯微孔膜，厚度范围为5微米～100微米，孔径范围为1微米～10微米。

6、根据权利要求1所述的液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片，其特征在于毛细管电泳通道的宽度为5微米～200微米，深度范围为1微米～100微米；萃取通道和反萃取通道宽度范围为10微米～5000微米，深度范围为1微米～500微米。

7、根据权利要求1的液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片，其特征在于：也可以用石英片代替上、中、下三层玻璃片。

8、权利要求1所述的液液萃取毛细管电泳联用微流控分析芯片封接方法，其步骤是：

(1)将加工有电泳通道网络及钻有储液池的上层玻璃与加工有反萃取通道的中层玻璃位置对准并固定，放在程序升温高温炉中高温封合，形成毛细管电泳单元；

(2)毛细管电泳单元封合后，在与中层玻璃的反萃取通道进/出口、下层玻璃的试样通道进/出口对应的位置上钻贯通上、中层玻璃的小孔，分别用作引导反萃取溶液和试样溶液的进/出孔，其中连接中层玻璃下表面反萃取通道出口和上层玻璃下表面毛细管电泳进样通道入口的小孔为耦联萃取单元和电泳单元的流通式接口；

(3)将毛细管电泳单元的中层玻璃、高聚物微孔膜、下层玻璃的位置对准，使萃取通道和反萃取通道在膜的两侧，并使两通道的直线部分重合后固定；

(4)将新配置的尚未固化的粘接剂施加于中、下层玻璃之间的缝隙处，依靠毛细作用，胶粘剂扩散并充满中、下层玻璃片间的所有缝隙直到与四氟乙烯微孔膜边缘接触，放置使粘接剂固化，完成液液萃取单元的封接与整块集成化芯片的合拢。