采用裂缝进样的便携式高效毛细管电泳芯片的设计和制作

摘要

本发明涉及一种采用裂缝进样的便携式高效毛细管电泳芯片。特征是：①分离管道为熔硅石英毛细管；②基体为聚二甲基硅烷弹性体；③利用熔硅石英毛细管柱上构建的裂缝作为进样通道；④电化学检测的电极固定通道或槽直接成型在聚二甲基硅烷基体中。本发明制作的电泳芯片加工工艺简单，制作成本低廉；集合了石英玻璃芯片管道性能优良与聚二甲基硅烷等塑料芯片加工简单、成本低的优点；电极可以方便地在芯片基体上固定、对准分离管道和更换。本发明为制作便携式、低成本、用户友好的实用和商品化电泳芯片提供了一个切实可行的途径，将在药物、食品、生化快速分离分析，海关、公安、法医现场快速检验、鉴定以及临床床旁快速检验等领域都有广阔的应用前景。

说明书

一、技术领域

本发明属于微流控芯片领域中的电泳芯片的制备方法。它用熔硅石英毛细管为分离管道，聚二甲基硅烷弹性体为基体，首次利用熔硅石英毛细管柱上构建的裂缝作为进样通道，电化学检测的电极固定通道或槽直接成型加工在聚二甲基硅烷基体中，光检测通过芯片上加工的可调大小的光检测孔。该芯片集合了石英玻璃芯片与聚二甲基硅烷等塑料芯片的优点，在药物、食品、生化快速分离分析，海关、公安、法医现场快速检验、鉴定以及临床床旁快速检验等领域都有广阔的应用前景。

二、背景技术

微流控电泳芯片由于其分离快速、高效、样品消耗少而日益受到重视。电泳芯片按基体材料可以分为玻璃芯片和塑料芯片两大类。玻璃芯片性能优良，特别是石英玻璃芯片由于无紫外吸收更符合各种光检测的需要。然而玻璃芯片由于其加工工艺复杂，制作过程往往需要超净环境，管道需要氢氟酸刻蚀形成，芯片封合麻烦且耗时，产品易碎且易堵塞而报废^[1，2]，造成制作费时且成本高昂，不利于微流控芯片的发展与实际应用。鉴于此，以聚二甲基硅烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)为代表的塑料芯片由于其加工简单、制作快速、成本低^[3]，有望制作低成本的一次性芯片和利于产业化而引起了人们的广泛研究和应用。其中PDMS芯片由于化学性质稳定、无毒、透明、弹性好而最具有代表性。但是，塑料芯片的缺点也很突出。主要表现在管道强度低、易变形或塌陷；管道电渗流不稳定而导致分离重现性差；管道为强疏水性^[4]，极易吸附样品而导致分离效率下降，因此许多有关塑料芯片的研究多集中在管道的处理和修饰以提高芯片的亲水性、重现性和实际应用能力^[1，4]。

鉴于两种芯片的优缺点，许多研究者尝试将玻璃和塑料结合，构建杂化(hybrid)芯片。典型的做法是用PDMS构筑微通道，然后将之贴合在玻璃基板上^[5]，这样芯片封合相对简单，管道强度、亲水性有所提高，相对于玻璃芯片成本降低很多。但是，这种方法没有从根本上解决塑料芯片通道的问题反而由于管道材料的不一致引出了新的问题，即由于两种材料电渗流的不一致导致样品区带加宽而使分离效率下降^[6]。本发明设计了一种采用裂缝进样的便携式高效毛细管电泳芯片，以价廉易得且性能优越的熔硅石英毛细管作为分离管道，以PDMS为基体，首次利用熔硅石英毛细管柱上构建的裂缝作为进样通道，将石英玻璃芯片的管道性能优良的特点与PDMS芯片加工简单、成本低廉的特点有机结合起来，为制作高效、便携式、低成本、用户友好的实用和商品化电泳芯片提供了一个切实可行的途径。

[1]Dang，F.；Kakehi，K.；Cheng，J.；Tabata，O.；Kurokawa，M.；Nakajima，K.；Ishikawa，M.；Baba，Y.Anal.Chem.2006，78，1452-1458..

[2]Effenhauser，C.S.；Bruin，G.J.M.；Paulus，A.；Ehrat，M.Anal.Chem.1997，69，3451-3457.

[3]Duffy，D.C.；McDonald，J.C.；Schueller，O.J.A.；Whitesides，G.M.Anal.Chem.1998，70，4974-4984.

[4]Vickers，J.A.；Caulum，M.M.；Henry，C.S.Anal.Chem.2006，78，7446-7452.

[5]Martin，R.S.；Gawron，A.J.；Lunte，S.M.；Henry，C.S.Anal.Chem.2000，72，3196-3202.

[6]Ross，D.；Johnson，T.J.；Locascio，L.E.Anal.Chem.2001，73，2509-2515.

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种采用裂缝进样的便携式高效毛细管电泳芯片的设计和制作方法，用熔硅石英毛细管为分离管道，聚二甲基硅烷弹性体为基体，利用熔硅石英毛细管柱上构建的裂缝作为进样通道，电化学检测的电极固定通道或槽直接成型加工在聚二甲基硅烷基体中，光检测通过芯片上加工的可调大小的光检测孔。该芯片集合了石英玻璃芯片与PDMS等塑料芯片的优点，在药物、食品、生化快速分离分析，海关、公安、法医现场快速检验、鉴定以及临床床旁快速检验等领域都有广阔的应用前景。

本发明通过以下技术方案来实现，其步骤如下：

(1)芯片模板制备：用玻璃或有机玻璃制作，形状如图1所示。

(2)聚二甲基硅烷前驱体液配制：将二甲基硅烷低聚体液和交联剂以10∶1的质量比混合均匀，除气后备用。

(3)芯片分离管道的准备：取一定长度的熔硅石英毛细管，清洗并干燥后，依次在适当位置割一轻和两重划痕。若需进行光检测，则需要在光检测位置预先除去石英管外涂层。

(4)芯片毛胚制作：将(3)中制备的熔硅石英毛细管按图1所示放入芯片模板中，然后倒入(2)中制备的聚二甲基硅烷前驱体液至完全覆盖毛细管，然后75℃加热2小时至聚二甲基硅烷弹性体固化成型，冷却至室温。在两重划痕上方轻压后，聚二甲基硅烷弹性体中包裹的毛细管断成三截。将两端的毛细管从弹性体中抽出，形成正对分离管道的弹性直通道。取出芯片毛胚。

(5)芯片的成型：将(4)中制备的芯片毛胚按图2所示制作三个储液池分别为缓冲液池、样品池、废液池(或检测池)，冷却腔以及光检测孔。在固定在基体中的毛细管划痕上方轻压形成裂缝即进样通道。

本发明的特点是制作的电泳芯片加工工艺简单，无需任何微机械加工技术和设备，制作成本低廉；集合了石英玻璃芯片管道性能优良与PDMS等塑料芯片加工简单成本低的优点；熔硅石英毛细管无紫外吸收，特别利于紫外或荧光检测；首次采用超窄的裂缝进样极大地抑制了进样和分离过程样品的泄漏从而很大程度上简化了电源设备和操作；超窄的裂缝进样方式可以将电泳芯片的储液池降低到最小数量，进一步简化了芯片的制作和操作并且降低了样品和试剂的消耗；将亲水性、内壁均匀光滑的熔硅石英毛细管作为分离通道很大程度的避免了样品的吸附，并且使电泳芯片的溶液填充和管道内气泡的除去变得相当简单无需任何压力或真空装置进一步简化了芯片电泳的附属设备和操作。电极可以方便在在芯片基体上固定、对准分离管道和更换。

四、附图说明

图1.芯片模板及熔硅石英毛细管安装示意图。

图2.芯片示意图。(标注单位：毫米)

五、具体实施方式

实施例1.采用裂缝进样的用于电化学检测的便携式电泳芯片的制备：

(1)芯片模板制备：用有机玻璃板制作，形状和规格如图1所示。

(2)聚二甲基硅烷前驱体液配制：将二甲基硅烷低聚体液和交联剂以10∶1的质量比混合均匀，静置，待气泡除尽后备用。

(3)芯片分离管道的准备：取11厘米长度的熔硅石英毛细管(外径360微米，内径25微米)，依次用通过注入0.1M的氢氧化钠、二次水、无水乙醇清洗，置烘箱干燥。依次在离一端2，1.2和9.2厘米处，割一轻和两重划痕。轻划痕深度以肉眼刚能看到刻痕为准，用以制备进样裂缝，两重划痕用以折断多余的毛细管，形成进样毛细管端和检测毛细管端，并通过从模板中抽出毛细管以形成电极插入通道。

(4)芯片毛胚制作：将(3)中制备的熔硅石英毛细管按图1所示放入芯片模板中，然后倒入(2)中制备的聚二甲基硅烷前驱体液至完全覆盖毛细管并与模板四周持平。然后75℃加热2小时至聚二甲基硅烷弹性体固化成型，冷却至室温。在两重划痕上方轻压后，聚二甲基硅烷弹性体中包裹的毛细管断成三截。将两端的毛细管从弹性体中抽出，形成正对分离管道的弹性电极引导通道，同时形成基体中包裹有8厘米长石英管的芯片毛胚。将芯片毛胚小心从模板中取出。

(5)芯片的成型：将(4)中制备的芯片毛胚四周不均匀毛边切除，按图2所示切割制作三个储液池分别为缓冲液池、样品池、检测池以及冷却腔。在固定在基体中的毛细管处于样品池中的划痕上方轻压，形成裂缝即进样通道。用40倍光学显微镜观察裂缝，没有观察到裂缝左右管道出现错位即表示进样通道制作成功。