基于电泳芯片的生化分析仪器的研制

　　1　引　　言

　　生物芯片技术是将生命科学研究中许多不连续的过程(如样品制备、生化反应、检测等步骤)集成并移植到一块普通邮票大小的芯片上去,以实现对大量生物信息进行快速、并行处理的一项综合性高新技术。生物芯片种类很多,热点之一是电泳芯片,如微毛细管电泳芯片、阵列电泳芯片、介电泳芯片、凝胶电泳芯片等。微全分析芯片使珍贵的生物试剂消耗降低到微升甚至纳升级,分析速度成倍提高,费用大幅下降。1998年美国Michigan大学的研究人员[1]根据微全分析系统的概念研制了1个完整的微全分析芯片。该芯片采用荧光检测的方法,将微全分析系统中除了激发源、压力源和控制电路以外的所有部分通过光刻腐蚀技术完整的制作在单个的载玻片和硅衬底上。

　　对于普通的以电泳为核心分离模块的微全分析芯片来说,电泳过程中需要在电泳分离沟道两端施加几千伏甚至几十千伏的高压以产生足够高的电场强度,通过电渗流驱动分离溶液中的不同离子或者DNA片段等生物样品。然而高压带来诸多缺点,如设备过于庞大、热效应太高等,使其越来越不适应微全分析芯片小而全的发展趋势。

　　根据沿电场强度方向两点间电压与距离成正比的原理,可以在电泳分离方向部分区域施加较低电压而使该区域电场强度与高压电泳时相同。据此文献[2]提出了一种移动电场电泳芯片的概念,文献[3]根据这一概念设计了一款基于线性阵列电极的电泳芯片,在电泳分离垂直方向制作了54根电极,经计算可知,只需在横跨8对电极两端施加不到400V的电压就可产生同尺寸参数普通电泳芯片加高压时所产生的电场强度。

　　微全分析芯片在电泳分离之后,采取有效的检测手段对参与电泳分离的样品进行识别,这些检测方法包括光学、电化学、质谱、间接检测法等。这些检测法各有优点,但除了电化学检测法外,其他方法都存在设备体积太大、成本太高的缺点。电化学检测法中最常用的有安培检测法及阻抗谱检测法等,这里提出了利用微控制器的阻抗检测方法,为实现对54根电极的自由控制开发了以Cygnal公司的C8051F020单片机为核心的微型化生化分析仪器。

　　2　生化分析仪器的设计

　　2.1　电泳芯片电压施加方式的仿真

　　芯片分离样品的移动电场施加方式采用了有限元仿真的方法[4]。通过比较单线电极和双线电极电压施加方式的有限元仿真结果,确定在两对相邻电极间施加电压(不超过400V)。

　　图2即电泳芯片加电压方案及相应电场的有限元仿真结果。其中图2(a)是电极的分布图;图2(b)是在1和2两个电极加上正电压、4和5两个电极加上负电压而中间区域电极全部悬空,即双线电极施加电压的情况下所得到的电场仿真结果;图2(c)是用等压线所表示的双线电极控制方式电场强度分布图;图2(d)则是在电极1上加正电压、电极5上加负电压而其余电极悬空,即单线电极施加电压的情况下,用等压线表示的电场强度分布图。根据这个仿真结果,采用双线电极产生移动电场,因为其产生的场强值足够大,并且可以满足均匀电场的要求,且结构较简单。