CN203365330U - 集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统。现有分析系统存在各式问题。本实用新型包括微流控芯片、负压装置、直流电源和光电倍增管。微流控芯片包括基片，缓冲液储液池、样品储液池、样品废液池、缓冲液废液池、过氧草酸酯储液池、过氧化氢储液池和废液池设置在基片上。负压装置包括真空瓶、微型真空泵、电触点真空表、针形阀、U型管压力计、二位三通电磁阀和时间继电器。直流电源的输出端接缓冲液储液池，接地端接缓冲液废液池；光电倍增管直接置于检测通道的下方。本实用新型结构简单，操作方便，非水电泳分离和过氧草酸酯类化学发光检测互不干扰，系统兼容性好、分离效率高、检测灵敏度高。

Description

集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统

技术领域

本实用新型属于分析技术领域，涉及微全分析系统，特别是一种集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统。

背景技术

自从Manz等1890年提出微全分析系统以来，微芯片分析技术在化学、生命科学、环境科学和食品科学等领域开辟了广阔的应用前景。由于芯片毛细管电泳具有分离效率高、分析时间短（数秒至数十秒）、试剂和样品消耗少（微升至皮纳升级）、高度微型化和集成化等优点，是微芯片分析系统中最常用的分离技术。但是，低进样量对高灵敏检测提出了挑战。化学发光检测无需光源、仪器设备简单、背景噪声低、灵敏度高，芯片毛细管电泳的理想检测器之一。过氧草酸酯类化学发光检测系统是目前发现的发光量子效率最高的非酶催化的发光体系，其最大量子效率达34%。过氧草酸酯类化学发光检测系统具有的高灵敏度、高通用性以及干扰相对较少等特点使之非常适用于芯片毛细管电泳中。

但是，目前，在微全分析系统中应用过氧草酸酯类化学发光检测的报道很少。Tsukagoshi等和刘笔锋等采用十字通道微流控芯片和电动夹流进样方式，实现两种丹酰化氨基酸和手性氨基酸的电泳分离和过氧草酸酯类化学发光在线检测，其中发光试剂直接置于电泳分离通道末端的液池中；该柱端检测系统还被用于癌症标志物的免疫分析；但在该系统中，化学发光反应检测池同时作为废液池，由于过氧草酸酯类化学发光的反应动力学很慢，使得反应废液在化学发光检测池中积累，同时，发光试剂会因电泳液不断流入检测池而被稀释，影响检测稳定性和重现性；苏荣国等在芯片电泳分离通道末端设计了一个大尺寸的流动型的反应-检测池，采用“Y”型汇流流路，用注射泵注入发光试剂（过氧草酸酯-过氧化氢的混合液），与在电渗流驱动下实现芯片电泳分离的两种丹酰化氨基酸依次相遇发生化学反应从而检测发光信号；这之间存在着一个电渗流和泵的压力的匹配问题，化学发光试剂容易进入分离通道。为防止检测区域高液压引起发光试剂逆流进入分离通道，检测通道截面积被加大150倍；不过因电泳峰的检测器增宽与流过检测器的流速成反比，所以该大尺度检测通道将导致分离效率下降。同时这些文献的一个共性，就是电极之一放在缓冲液池中，电极之二放在含有发光试剂的废液池中，但发光试剂（如过氧化氢等）在高电场下易分解产生气泡，会影响电渗流稳定，甚至中断电渗流。因此，若“Y”型汇流检测时采用电渗流驱动发光试剂，虽然检测通道压力不会显著增加，但仍然会造成电渗流不稳定等问题，因而也不可取。同时据文献报道，过氧草酸酯与过氧化氢反应必须在非水的大环境中进行，虽然在上述文献报道中，都保证了过氧草酸酯类化学发光检测部分的非水大环境，但是在芯片电泳分离部分都是在水溶液缓冲体系，这必然存在着一个水相与有机相的交界面，且过氧草酸酯遇水易分解，影响检测的稳定性。此外，采用过氧草酸酯和过氧化氢预先混合模式时，由于过氧草酸酯和过氧化氢反应生成中间体，中间体的活性只能保持数小时，使用一段时间后，同等条件下会大大影响发光强度。寻找一种合适的在线混合模式可以保证源源不断的供应新鲜的过氧草酸酯和过氧化氢反应产生的反应中间体并将能量转移给样品，促使发光反应稳定进行。

发明专利190910154433.1中，提出了一种集成芯片毛细管电泳分离和化学发光检测的微芯片分析系统，该系统已成功的应用于铬、锰、钴、铜、镍、锌、金、铂、铅等重金属的芯片毛细管电泳分离和鲁米诺-过氧化氢化学发光检测的高效连用。但是，将该系统应用到过氧草酸酯类化学发光检测时，发现在过氧草酸酯与过氧化氢溶液交界处有很明显的层流现象，虽然经过螺旋形通道后，界面很快消失，但随着反应的进行，发现过氧草酸酯与过氧化氢液流速度越来越慢，不利于反应的进行。这可能是样品在电场驱动下至汇流处，预先与两相交界处（过氧草酸酯与过氧化氢反应界面上）过氧草酸酯与过氧化氢反应的中间体反应，反应产生的产物在界面处不利于顺利流出至废液池W，而越积越多，影响了液流流动。另外，如果将接地电极放在过氧草酸酯池，一段时间后，会出现黑色沉淀，进一步阻碍液流流动。

由于这些原因，并未见集成芯片毛细管电泳分离与过氧草酸酯类化学发光检测的商品化仪器，更未见集成非水芯片毛细管电泳分离与过氧草酸酯类化学发光检测的商品化仪器。

发明内容

本实用新型目的是针对现有技术的不足，提供了一种结构简单、操作方便、体积小和低成本的集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统。

本实用新型包括微流控芯片、负压装置、直流电源和光电倍增管。

微流控芯片包括基片，缓冲液储液池、样品储液池、样品废液池、缓冲液废液池、过氧草酸酯储液池、过氧化氢储液池和废液池设置在基片上。

直线形的进样通道的一端与样品储液池连通，另一端与样品废液池连通；缓冲液储液池通道与有效分离通道相接构成直线型的分离通道，缓冲液储液池通道的一端与缓冲液储液池连通，有效分离通道的一端以及缓冲液储液池通道的另一端与进样通道连通，分离通道与进样通道垂直，构成十字相交通道；有效分离通道内设置有多孔塞。

在有效分离通道中设置的多孔塞，使被分析的样品可以在电渗流的驱动下，进入有效分离通道实现电泳分离；而压力差驱动的化学发光试剂不会倒流进入有效分离通道；要根据分析物质的性质选择合适的多孔塞，分析极性物质时，选择非极性多孔塞，分析非极性物质时，选择极性多孔塞。

直线形的过氧草酸酯池通道的一端与过氧草酸酯储液池连通，直线形的过氧化氢储液池通道的一端与过氧化氢储液池连通，过氧草酸酯池通道的另一端和过氧化氢储液池通道的另一端均与螺旋形的化学发光试剂混合通道的一个端口相接，形成三通道互通结构。

检测通道包括连通的螺旋形段和直线形段，直线形段的端口接废液池；直线形的缓冲液废液池通道的一个端口接缓冲液废液池；有效分离通道的另一端、化学发光试剂混合通道的另一个端口、检测通道的螺旋形段的端口、缓冲液废液池通道的另一个端口相接，形成四通道互通结构。

负压装置包括真空瓶、微型真空泵、电触点真空表、针形阀、U型管压力计、二位三通电磁阀和时间继电器。微型真空泵通过管路与真空瓶连通，在开启状态下对真空瓶抽真空；电触点真空表与真空瓶相接，显示真空瓶内真空度，同时电触点真空表与微型真空泵信号连接，控制微型真空泵的启动或关闭；针型阀的负压输入端通过管路与微型真空瓶连通，针型阀的负压输出端通过管路同时与废液池和U型管压力计连通，三者之间形成一个三通连接结构，通过调节针型阀的开关大小，控制废液池内负压的大小，U型管压力计指示废液池内负压的大小。

二位三通电磁阀的公共端口与样品废液池通过管路连通，一个通气口与真空瓶通过管路连通，另一个通气口直接与大气相通；二位三通电磁阀通电状态下，公共端口与一个通气口导通，另一个通气口闭合，此时样品废液池与真空瓶连通，使样品废液池内形成负压，负压的大小由电触点真空表指示；二位三通电磁阀断电状态下，公共端口与另一个通气口连通，一个通气口闭合，此时样品废液池与大气相通，恢复常压。二位三通电磁阀上设置有时间继电器，用于设置通电时间。

直流电源的输出端接缓冲液储液池，接地端接缓冲液废液池。直流电源对缓冲液储液池内缓冲液施加+1000 V的高电压，缓冲液废液池端接地。光电倍增管直接置于检测通道的下方，用于检测过氧草酸酯类化学发光反应发出的光强度。

本实用新型中非水电泳分离电场始终连接于缓冲液储液池和缓冲液废液池之间，由于直流电源所施加的电泳分离电场不经过检测通道，也不经过化学发光试剂混合通道，电泳分离的稳定性和结果的重现性好。

本实用新型中的负压装置，实现了非水芯片毛细管电泳的进样和化学发光试剂的连续引入。

本实用新型的微芯片分析系统使用的微流控芯片在有效分离通道中制作了多孔塞，多孔塞对压力流的阻力很大，而不影响电渗流通过。被分析的样品可以在电渗流的驱动下，进入有效分离通道实现电泳分离；同时可以防止在压力差驱动下发光试剂倒流进入有效分离通道，影响电泳分离。为了尽量避免分析物质与多孔塞的相互作用，影响其分析性能，分析极性物质时，选择非极性多孔塞；分析非极性物质时，选择极性多孔塞。在整个分析过程中，由于非水毛细管电泳分离电场始终连接于缓冲液储液池和缓冲液废液池之间，而多孔塞不影响电渗流通过，可以实现由进样时间决定的可变体积进样。

本实用新型使用的微流控芯片中的化学发光试剂混合通道，实现了过氧草酸酯和过氧化氢的实时在线混合，避免了预先混合带来的试剂有效性问题。

本实用新型中非水毛细管电泳分离和化学发光检测均在非水的大环境中进行。避免了专利190910154432.7中毛细管电泳水体系和化学发光试剂的非水体系间两相不匹配问题，同时也避免了化学发光试剂的非水体系中如过氧草酸酯类遇水分解问题。

本实用新型中非水毛细管电泳分离和过氧草酸酯化学发光检测互不干扰，保证了非水毛细管电泳的分离效率和过氧草酸酯类化学发光的高灵敏度。具有分离效率高、检测灵敏度高、结构简单、体积小、重量轻、操作方便等优点，是制作便携式微全分离检测系统理想的联用技术。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中1-基片，2-缓冲液储液池，3-样品储液池，4-样品废液池，5-缓冲液废液池，6-过氧草酸酯储液池，7-过氧化氢储液池，8-废液池，9-进样通道，10-分离通道，11-过氧草酸酯储液池通道，12-过氧化氢储液池通道，13-化学发光试剂混合通道，14-检测通道，15-缓冲液废液池通道，16-多孔塞，17-真空瓶，18-微型真空泵，19-电触点真空表，20-针型阀，21-U型管压力计，22-二位三通电磁阀，23-时间继电器, 24-直流电源，25-光电倍增管。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型进行进一步描述。

如图1所示，一种集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统包括微流控芯片、负压装置、直流电源和光电倍增管。

微流控芯片包括基片1，缓冲液储液池2、样品储液池3、样品废液池4、缓冲液废液池5、过氧草酸酯储液池6、过氧化氢储液池7和废液池8设置在基片1上。

直线形的进样通道9的两端分别与样品储液池3和样品废液池4连通；直线形的分离通道10的一端与缓冲液储液池2连通，进样通道9与分离通道10垂直相交，构成十字相交通道。

直线形的过氧草酸酯池通道11的一端与过氧草酸酯储液池6连通，直线形的过氧化氢储液池通道12的一端与过氧化氢储液池7连通，过氧草酸酯池通道11的另一端和过氧化氢储液池通道12的另一端均与螺旋形的化学发光试剂混合通道13的一个端口相接，形成三通道互通结构。

检测通道14包括连通的螺旋形段和直线形段，直线形段的端口接废液池8；直线形的缓冲液废液池通道15的一个端口接缓冲液废液池5；分离通道10的另一端、化学发光试剂混合通道13的另一个端口、检测通道14的螺旋形段的端口、缓冲液废液池通道15的另一个端口相接，形成四通道互通结构。

进样通道9与缓冲液废液池通道15之间的分离通道10内设置有多孔塞16，使被分析的样品可以在电渗流的驱动下，进入分离通道10实现电泳分离；而压力差驱动的化学发光试剂不会倒流进入分离通道10；要根据分析物质的性质选择合适的多孔塞，分析极性物质时，选择非极性多孔塞，分析非极性物质时，选择极性多孔塞。

负压装置包括真空瓶17、微型真空泵18、电触点真空表19、针形阀20、U型管压力计21、二位三通电磁阀22和时间继电器23。微型真空泵18通过管路与真空瓶17连通，在开启状态下对真空瓶17抽真空；电触点真空表19与真空瓶17相接，显示真空瓶17内真空度，同时电触点真空表19与微型真空泵18信号连接，控制微型真空泵18的启动或关闭；针型阀20的负压输入端通过管路与微型真空瓶17连通，针型阀20的负压输出端通过管路同时与废液池8和U型管压力计21连通，三者之间形成一个三通连接结构，通过调节针型阀20的开关大小，控制废液池8内负压的大小，U型管压力计21指示废液池8内负压的大小。

二位三通电磁阀22的公共端口a与样品废液池4通过管路连通，一个通气口b与真空瓶17通过管路连通，另一个通气口c直接与大气相通；二位三通电磁阀21通电状态下，公共端口a与一个通气口b导通，另一个通气口c闭合，此时样品废液池4与真空瓶17连通，使样品废液池4内形成负压，负压的大小由电触点真空表19指示；二位三通电磁阀22断电状态下，公共端口a与另一个通气口c连通，一个通气口b闭合，此时样品废液池4与大气相通，恢复常压。二位三通电磁阀22上设置有时间继电器23，用于设置通电时间。

直流电源24的输出端接缓冲液储液池2，接地端接缓冲液废液池5。直流电源24对缓冲液储液池2内缓冲液施加+1000 V的高电压，缓冲液废液池5端接地。光电倍增管25直接置于检测通道15下方，用于检测过氧草酸酯类化学发光反应发出的光强度。

在微流控芯片上的样品储液池3中加入样品溶液，在缓冲液储液池2、样品废液池4和缓冲液废液池5加入非水电泳缓冲液，保证液面高度缓冲液储液池2>样品储液池3>样品废液池4。在过氧草酸酯储液池6加入非水的过氧草酸酯溶液，在过氧化氢储液池7加入经非水溶剂稀释的过氧化氢溶液，废液池8用于接收废液。除了过氧化氢储液池7中含有痕量的水，其他储液池中的溶液均为非水溶液。在缓冲液储液池2端施+1000 V的高电压，缓冲液废液池5端接地。

首先设定电触点真空表19的最大真空度和最小真空度。使二位三通电磁阀22的a端和c端连通，b端闭合，同时关闭针型20。开启微型真空泵18，使真空瓶17内形成负压，当真空瓶内压力达到设定真空度上限时，电触点真空表19关闭微型真空泵18，当瓶内压力低于真空度下限时，电触点真空表19启动微型真空泵18，使瓶内真空度稳定在设定范围内。

在整个分析过程中，通过控制针型阀20的开启程度，控制废液池8中负压的大小，使流经化学发光试剂混合通道13的过氧草酸酯和过氧化氢反应产生的中间体和缓冲液废液池通道15的溶液在进样和分离两个阶段均以恒定的流速流经检测通道14进入废液池8，

非水毛细管电泳分离的操作由进样和分离两个阶段组成。在进样阶段，使二位三通电池阀22的a端口与b端口连通，c端闭合，真空瓶17通过管路和样品废液池4连通，使样品废液池上方形成小于大气压的负压，缓冲液储液池2中的非水电泳缓冲液及样品储液池3中的非水样品溶液在负压作用下向样品废液池4流动，由于在分离通道10中有多孔塞17，可以防止在压力差驱动下的发光试剂和缓冲液废液倒流进入分离通道10，影响电泳分离。与此同时，由于在整个分析过程中，电场始终施加在缓冲液储液池2和缓冲液废液池5之间，样品溶液在流经进样通道9和分离通道10的十字交叉口时，在电渗流驱动下，进入分离通道10，从而实现由进样时间决定的可变体积进样。

在分离阶段，二位三通电磁阀22的a端和c端连通，b端闭合，由于二位三通电磁阀22的c端直接和大气连通，使样品废液池4与大气相通，它与样品储液池3和缓冲液储液池5之间的压力差立即同时消失。已进入分离通道10的样品塞由于电泳淌度不同实现有效分离。当非水芯片毛细管电泳分离后的待分析组分和中间体在分离通道10与化学发光试剂混合通道13和缓冲液废液池通道15相交点相遇后在检测通道14内混合发生化学发光反应，从而得到相应的电泳峰，根据电泳峰迁移时间和峰面积对待测组分进行定性和定量分析。

Claims (3)

1. 集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统，包括微流控芯片、负压装置、直流电源和光电倍增管，其特征在于：

所述的微流控芯片包括基片，缓冲液储液池、样品储液池、样品废液池、缓冲液废液池、过氧草酸酯储液池、过氧化氢储液池和废液池设置在基片上；

进样通道的两端分别与样品储液池和样品废液池连通；分离通道的一端与缓冲液储液池连通，进样通道与分离通道垂直相交，构成十字相交通道；进样通道与缓冲液废液池通道之间的分离通道内设置有多孔塞；

过氧草酸酯池通道的一端与过氧草酸酯储液池连通，过氧化氢储液池通道的一端与过氧化氢储液池连通，过氧草酸酯池通道的另一端和过氧化氢储液池通道的另一端均与化学发光试剂混合通道的一个端口相接，形成三通道互通结构；

检测通道的一个端口接废液池，缓冲液废液池通道的一个端口接缓冲液废液池；分离通道的另一端、化学发光试剂混合通道的另一个端口、检测通道的另一个端口、缓冲液废液池通道的另一个端口相接，形成四通道互通结构；

所述的负压装置包括真空瓶、微型真空泵、电触点真空表、针形阀、U型管压力计、二位三通电磁阀和时间继电器；

微型真空泵通过管路与真空瓶连通，电触点真空表与真空瓶相接，同时电触点真空表与微型真空泵信号连接；针型阀的负压输入端通过管路与微型真空瓶连通，针型阀的负压输出端通过管路同时与废液池和U型管压力计连通；

二位三通电磁阀的公共端口与样品废液池通过管路连通，一个通气口与真空瓶通过管路连通，另一个通气口直接与大气相通；二位三通电磁阀上设置有时间继电器；

直流电源的输出端接缓冲液储液池，接地端接缓冲液废液池；光电倍增管直接置于检测通道的下方，用于检测过氧草酸酯类化学发光反应发出的光强度。

2.如权利要求1所述的集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统，其特征在于：所述的进样通道、分离通道、过氧草酸酯池通道、过氧化氢储液池通道和缓冲液废液池通道为直线形。

3.如权利要求1所述的集成非水芯片电泳和过氧草酸酯类化学发光的微分析系统，其特征在于：所述的化学发光试剂混合通道和检测通道为螺旋形。

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