RU2229699C2

RU2229699C2 - Analytical capillary microchip

Info

Publication number: RU2229699C2
Application number: RU2000111917/28A
Authority: RU
Inventors: Т.М. Зимина (RU); Т.М. Зимина; нский М.Н. Пол (RU); М.Н. Полянский; В.В. Лучинин (RU); В.В. Лучинин
Original assignee: Зимина Татьяна Михайловна; Полянский Михаил Николаевич; Лучинин Виктор Викторович
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2004-05-27

Abstract

FIELD: optical instrumentation engineering. SUBSTANCE: invention refers specifically to analytical devices produced on basis of capillary microchips for analysis of fluorescing substances in solution or solutions with optical absorption in visible and infrared regions. Invention can find wide application in control over production processes in food, chemical, biotechnological, pharmaceutical, wood pulp and paper industry, in medicine for diagnostics of diseases and scientific research. Analytical capillary microchip fabricated with the use of planar technologies incorporates flat dielectric plate which body includes one hollow conduit as minimum sealed by cover plate and forming capillary possessing inlet and outlet and at least one planar light guiding channel for entry of radiation into capillary. One end of it abuts on capillary for liquid. EFFECT: enhanced reliability and accuracy of analysis, simplified design, reduced dimensions, manufacturing cost and improved adaptability to quantity production. 7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности, к капиллярным микрочипам для химического анализа, содержащим систему капилляров для адресного транспорта растворов и их анализа на основе электрофоретического или хроматографического принципа с оптической регистрацией компонентов. Устройство может быть использовано при контроле производств в пищевой, химической, биотехнологической, фармацевтической, целлюлозно-бумажной промышленности, а также в медицине для диагностики заболеваний.The invention relates to the field of analytical instrumentation, in particular, to capillary microchips for chemical analysis, containing a system of capillaries for targeted transport of solutions and their analysis based on the electrophoretic or chromatographic principle with optical registration of components. The device can be used to control production in the food, chemical, biotechnological, pharmaceutical, pulp and paper industries, as well as in medicine for the diagnosis of diseases.

Известны конструкции планарного аналитического устройства [1-3], представляющие собой две плоские диэлектрические пластины (например, стеклянные, кварцевые, полимерные), герметически соединенные в виде сэндвича. Между ними в твердом теле одной из пластин имеются капилляры, сообщающиеся с окружающей средой через специальные отверстия. Исследуемый образец вводится в устройство в виде дозированного объема раствора и, двигаясь по капиллярам за счет электрокинетического или гидравлического транспорта пространственно разделяется на составные компоненты, которые после разделения детектируются с помощью оптических средств (фотометрически, флюориметрически, рефрактометрически) или, в случае их прозрачности (оптической инертности), подвергаются для их визуализации химической обработке перед детектированием.Known designs of a planar analytical device [1-3], which are two flat dielectric plates (for example, glass, quartz, polymer), hermetically connected in the form of a sandwich. Between them in the solid of one of the plates there are capillaries communicating with the environment through special openings. The test sample is introduced into the device in the form of a dosed volume of a solution and, moving through the capillaries due to electrokinetic or hydraulic transport, is spatially separated into component components, which after separation are detected using optical means (photometric, fluorimetric, refractometric) or, in case of their transparency (optical inertia) are subjected to visualization by chemical treatment before detection.

В описанных устройствах первичное излучение, например, от светодиода или лазера вводится в заданную область микроканала с помощью фокусирующей системы. Поскольку между структурой исследуемой компоненты и ее координатой в капилляре существует строгое соотношение, а также из-за малых объемов детектирования, к оптической системе ввода излучения в капилляр и сбора оптического сигнала предъявляются высокие требования.In the described devices, the primary radiation, for example, from an LED or a laser is introduced into a predetermined area of the microchannel using a focusing system. Since there is a strict correlation between the structure of the component under study and its coordinate in the capillary, and also because of the small detection volumes, high demands are placed on the optical system for introducing radiation into the capillary and collecting the optical signal.

Однако используемые в настоящее время для этой цели линзовые фокусирующие системы обладают рядом недостатков. Прежде всего они громоздки, дороги в изготовлении и, самое главное, существенно нарушают механическую жесткость конструкции аналитической системы и ее термостабильность, что приводит к снижению надежности и точности анализа, усложняет юстировку прибора.However, the lens focusing systems currently used for this purpose have several disadvantages. First of all, they are bulky, expensive to manufacture and, most importantly, significantly violate the mechanical rigidity of the design of the analytical system and its thermal stability, which leads to a decrease in the reliability and accuracy of the analysis, complicates the alignment of the device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является интегрированное микроустройство (капиллярный микрочип) для анализа фрагментов ДНК [4]. Микроустройство представляет собой две стеклянные пластины, спеченные для герметизации системы капилляров, выполненной методом фотолитографии и травления в твердом теле одной из пластин. Система капилляров имеет пять выходных отверстий для сообщения с внешней средой, т.е. резервуарами для растворов (ДНК, фермента, солевого буфера и два для слива) и электродами для приложения электрического поля вдоль каналов. Ход анализа и разделения регистрируется с помощью лазер-индуцируемой флюоресценции (ЛИФ) для записи электрофореграмм в определенной точке. В описываемой системе детектирования излучение аргонионного лазера (514,5 нм, 10 мВт) фокусируется на чип в виде пятна диаметром 50 мкм с использованием линзы (100 мм фокусное расстояние) под некоторым углом. Сигнал флюоресценции собирается с использованием линзы объектива 20х (NA=0,42), установленной перпендикулярно к телу чипа и с противоположной стороны от источника возбуждающего света, а затем пространственно диафрагмируется (отверстие 0,6 мм) и спектрально фильтруется (ширина полосы 40 нм, граница пропускания 560 нм) и измеряется с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).The closest in technical essence and the achieved results to this invention is an integrated microdevice (capillary microchip) for analysis of DNA fragments [4]. The microdevice is two glass plates, sintered to seal the capillary system, made by photolithography and etching in the solid of one of the plates. The capillary system has five outlet openings for communication with the external environment, i.e. reservoirs for solutions (DNA, enzyme, saline buffer and two for draining) and electrodes for applying an electric field along the channels. The analysis and separation progress is recorded using laser-induced fluorescence (LIF) to record electrophoregrams at a specific point. In the described detection system, argon laser radiation (514.5 nm, 10 mW) is focused on the chip in the form of a spot with a diameter of 50 μm using a lens (100 mm focal length) at a certain angle. The fluorescence signal is collected using a 20x objective lens (NA = 0.42) mounted perpendicular to the body of the chip and on the opposite side of the exciting light source, and then spatially apertured (aperture 0.6 mm) and spectrally filtered (bandwidth 40 nm, the transmission limit is 560 nm) and is measured using a photomultiplier tube (PMT).

Недостатком данного устройства является необходимость прецизионной юстировки внешней оптической системы детектирования. Поскольку система состоит из восьми элементов, расположенных по разные стороны от заменяемой части системы - аналитического чипа, это усложняет юстировку оптической системы, делает конструкцию более сложной, громоздкой и неудобной для тиражирования в виде промышленного изделия. Использование объектива для собирания света флюоресценции приводит к потерям излученного сигнала и не позволяет использовать высокие потенциальные возможности дорогостоящего аргонионного лазера.The disadvantage of this device is the need for precision alignment of the external optical detection system. Since the system consists of eight elements located on opposite sides of the replaced part of the system - the analytical chip, this complicates the alignment of the optical system, makes the design more complex, bulky and inconvenient for replication in the form of an industrial product. Using a lens to collect fluorescence light leads to the loss of the emitted signal and does not allow to use the high potential of an expensive argon laser.

Известно, что альтернативной системой передачи и преобразования светового излучения является световодная система, в основе которой лежит принцип полного внутреннего отражения света на границе двух сред. Слой прозрачного диэлектрика с показателем преломления n₁, окруженный диэлектриком с показателем преломления n₂<n₁, обладает световодными свойствами, т.е. канализирует процесс распространения света, не позволяя ему уходить в окружающий диэлектрик. Оптические свойства световодов и технологии их изготовления описаны в литературе, посвященной вопросам интегральной оптики.It is known that an alternative system for transmitting and converting light radiation is a fiber guide system, which is based on the principle of total internal reflection of light at the interface of two media. A transparent dielectric layer with a refractive index n ₁ surrounded by a dielectric with a refractive index n ₂ <n ₁ has optical fiber properties, i.e. channelizes the process of light propagation, not allowing it to go into the surrounding dielectric. The optical properties of optical fibers and their manufacturing techniques are described in the literature on integrated optics.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и точности анализа, снижение габаритов и стоимости, повышение технологичности изделия при массовом выпуске, существенное упрощение юстировки оптической схемы.The task of the invention is to increase the reliability and accuracy of the analysis, reduce the size and cost, increase the manufacturability of the product in mass production, significantly simplify the alignment of the optical circuit.

Поставленная задача решается за счет миниатюризации системы ввода излучения, увеличения механической жесткости всей системы. Это достигается за счет того, что капиллярный микрочип, состоящий из диэлектрической (или имеющей диэлектрический поверхностный слой) пластины, в теле которой имеется, по крайней мере, один полый канал (капиллярный микрочип), герметизированный покровной пластиной, имеющей вход и выход и образующий капилляр, дополнительно содержит по крайней мере один планарный световодный канал, выполненный в теле той же диэлектрической пластины, и который одним концом примыкает, по крайней мере, к одному из полых каналов или пересекается с ним.The problem is solved by miniaturizing the radiation input system, increasing the mechanical rigidity of the entire system. This is achieved due to the fact that the capillary microchip, consisting of a dielectric (or having a dielectric surface layer) plate, in the body of which there is at least one hollow channel (capillary microchip), is sealed by a cover plate having an input and output and forming a capillary , additionally contains at least one planar light guide channel made in the body of the same dielectric plate, and which at one end adjoins at least one of the hollow channels or intersects with it.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1а представлен аналитический капиллярный микрочип с одним световодным каналом; на фиг. 1б - увеличенное изображение поперечного сечения АА' аналитического капиллярного микрочипа по фиг.1а, на фиг.2 - аналитический капиллярный микрочип с дополнительным сопряженным фотоприемным каналом, на фиг.3а -аналитический капиллярный микрочип с несколькими независимыми световодными каналами; на фиг.3б - аналитический капиллярный микрочип с разветвляющимися световодными каналами.The invention is illustrated by drawings, where on figa presents an analytical capillary microchip with one light guide channel; in FIG. 1b is an enlarged cross-sectional image AA 'of the analytical capillary microchip of FIG. 1a, FIG. 2 is an analytical capillary microchip with an additional conjugate photodetector, and FIG. 3a is an analytical capillary microchip with several independent light guide channels; on figb - analytical capillary microchip with branching light guide channels.

Капиллярный микрочип [фиг.1 а, б] состоит из пластины 1 из диэлектрического материала (стекло, кварц, полимер) или материала с диэлектрическим поверхностным слоем (кремний/оксид кремния) и покровной пластины 2, герметически соединенных в виде сэндвича. В теле пластины 1 имеются полые капилляры 3, 4 и отверстия с емкостями для растворов: для исследуемой жидкости 5 и ее стока при дозировании 6, для буферного раствора 7 и его стока при анализе 8. В пластине 1 выполнены световодные каналы 9. Для переключения капиллярных каналов используется инжекционный крест.The capillary microchip [Fig. 1 a, b] consists of a plate 1 of a dielectric material (glass, quartz, polymer) or a material with a dielectric surface layer (silicon / silicon oxide) and a cover plate 2, hermetically connected in the form of a sandwich. In the body of plate 1 there are hollow capillaries 3, 4 and openings with containers for solutions: for the test liquid 5 and its drain at dosing 6, for the buffer solution 7 and its drain in analysis 8. In the plate 1, light guide channels 9 are made. For switching capillary channels used injection cross.

Устройство работает следующим образом. Исследуемая жидкость из емкости 5 через капилляр 3 поступает в сливную емкость 6 в результате электроосмотического течения или миграции в электрическом поле. Сегмент исследуемой жидкости из области пересечения так называемого инжекционного креста 10 переключением полярности дозируется в разделительный канал в виде узкой зоны и мигрирует в этом канале в электрическом поле между емкостями 7 с буферным раствором и сливной 8, в результате чего зона становится распределенной в пространстве. Излучение источника света детектирующего устройства направляется в заданную область полого канала через световодные каналы 9. Исследование выходящего из детекторной области вторичного излучения производится внешним приемником непосредственно или с помощью щели или посредством фотоприемного световодного канала 11 [фиг.2].The device operates as follows. The investigated liquid from the tank 5 through the capillary 3 enters the drain tank 6 as a result of electroosmotic flow or migration in an electric field. The segment of the test fluid from the intersection of the so-called injection cross 10 is switched by switching the polarity into a separation channel in the form of a narrow zone and migrates in this channel in the electric field between the tanks 7 with the buffer solution and the drain 8, as a result of which the zone becomes distributed in space. The radiation of the light source of the detecting device is directed to a predetermined region of the hollow channel through the light guide channels 9. The secondary radiation emerging from the detector region is examined by an external receiver directly or by means of a slit or by means of a photodetector light guide channel 11 [Fig. 2].

В зависимости от поставленных задач аналитических исследований и свойств анализируемых веществ аналитический капиллярный микрочип может быть выполнен с несколькими независимыми световодными каналами [фиг.3а] или с разветвленными световодными каналами [фиг.3б]. Такая конструкция дает возможность многоканального оптического детектирования, позволяющего повысить избирательность анализа и его разрешение. В случае разветвляющихся каналов система позволяет осуществлять многоканальный параллельный анализ при оптическом детектировании с единым источником излучения. Это может быть удобно, например, для прецизионного позиционирования при вводе излучения, а в сочетании с планарными каналами для дву-(много-)лучевого детектирования.Depending on the objectives of the analytical studies and the properties of the analyzed substances, the analytical capillary microchip can be made with several independent light guide channels [Fig. 3a] or with branched light guide channels [Fig. 3b]. This design makes it possible to multi-channel optical detection, which allows to increase the selectivity of the analysis and its resolution. In the case of branching channels, the system allows for multi-channel parallel analysis during optical detection with a single radiation source. This can be convenient, for example, for precision positioning when radiation is input, and in combination with planar channels for two- (multi-) beam detection.

Для изготовления в теле пластины капилляров и световодных каналов поверхность пластины подвергают физико-химической обработке того или иного типа. В частности, световодный канал может быть изготовлен путем ионного травления, ионной имплантации, ионного обмена.For the manufacture of capillaries and light guide channels in a wafer body, the wafer surface is subjected to physico-chemical treatment of one type or another. In particular, the light guide channel can be manufactured by ion etching, ion implantation, ion exchange.

Достоинством изобретения является возможность применения для изготовления и транспортных капилляров и световодных каналов одного и того же технологического комплекса, в частности, фотолитографии и травления. Поскольку фотолитографическая технология обеспечивает высокую точность геометрической формы и размеров каналов, координата места выхода световодного канала в полый канал фиксируется с высокой точностью и не может измениться из-за каких-либо случайных факторов в течение всего времени эксплуатации анализатора. Если топология каналов задается одной и той же фотолитографической маской, то вся серия изготовленных приборов будет обладать в высокой степени идентичной геометрией каналов. Поэтому надежность результатов измерений не зависит от конкретного прибора и степени профессиональной подготовки пользователя.An advantage of the invention is the possibility of using the same technological complex, in particular, photolithography and etching, for manufacturing and transport capillaries and light guide channels. Since the photolithographic technology provides high accuracy of the geometric shape and size of the channels, the coordinate of the place where the light guide channel exits into the hollow channel is fixed with high accuracy and cannot change due to any random factors during the entire life of the analyzer. If the channel topology is specified by the same photolithographic mask, then the entire series of manufactured devices will have a highly identical channel geometry. Therefore, the reliability of the measurement results does not depend on the specific device and the degree of professional training of the user.

Поскольку световодный канал заключен в теле той же пластины, в которой выполнены полые аналитические каналы, механическая жесткость и термостабильность системы значительно превышает подобные характеристики всех известных аналогов.Since the light guide channel is enclosed in the body of the same plate in which the hollow analytical channels are made, the mechanical rigidity and thermal stability of the system significantly exceeds similar characteristics of all known analogues.

Таким образом, перечисленные достоинства предлагаемого изобретения позволят существенно упростить конструкцию аналитического капиллярного микрочипа, значительно повысить точность и надежность его работы, а также стоимость изготовления, поскольку все его стадии могут быть выполнены в едином технологическом цикле.Thus, the listed advantages of the present invention will significantly simplify the design of the analytical capillary microchip, significantly increase the accuracy and reliability of its operation, as well as the cost of manufacture, since all its stages can be performed in a single technological cycle.

Источники информацииSources of information

1. С. Н. Kennedy, Microfluidic devices and systems. Patent USA. US5876675, March 2, 1999.1. S. N. Kennedy, Microfluidic devices and systems. Patent USA. US5876675, March 2, 1999.

2. A. Manz. Device and a method for the electrophoretic separation of fluid substance mixtures. Pat. USA. US5599432. Feb. 4, 1997.2. A. Manz. Device and a method for the electrophoretic separation of fluid substance mixtures. Pat. USA US5599432. Feb. 4, 1997.

3. J. M. Ramsey. Pat. USA. US6010607, 2000.3. J. M. Ramsey. Pat. USA US6010607, 2000.

4. S. С. Jacobson, J. M. Ramsey. Integrated nicrodevice for DNA restriction fragment analysis. Anal. Chem.,1996. V. 68, P. 720-723.4. S. C. Jacobson, J. M. Ramsey. Integrated nicrodevice for DNA restriction fragment analysis. Anal. Chem., 1996. V. 68, P. 720-723.

Claims

1. An analytical capillary microchip made using planar technologies and consisting of a flat dielectric or with a dielectric surface layer of the plate, in the body of which at least one hollow channel is made, hermetically connected in the form of a sandwich with a cover plate to form capillaries for the liquid having an inlet and a liquid outlet, and at least one planar light guide channel for introducing radiation into the capillary, wherein one of the ends of the light guide channel is adjacent to the liquid capillary.

2. The analytical capillary microchip according to claim 1, in which a light guide channel is additionally made, intersecting with the liquid capillary, forming conjugate light guide channels.

3. The analytical capillary microchip according to claims 1 and 2, in which several independent planar light guide channels are made.

4. The analytical capillary microchip according to claims 1 and 2, in which a branching light guide channel is made.

5. The analytical capillary microchip according to claims 1 to 4, in which the dielectric and coating plates are made of glass, quartz or polymer.

6. An analytical capillary microchip according to claims 1-5, including a liquid capillary and a planar light guide channel, made in the body of the dielectric plate by physicochemical processing of its surface.

7. The analytical capillary microchip according to claims 1-6, comprising at least one hollow capillary, which serves to dispense the studied liquid into it in the form of a narrow zone.