低电压集成电泳芯片的研制

　　1　引　言

　　随着科学技术的发展,为满足生物信息快速检测和可靠分析的迫切需要,人们提出了“芯片上的实验室(Lab on the chip)”的思想,使微流控芯片的研究成为世界各国关注的热点[1]。微流控芯片上的分离技术主要有毛细管电泳、毛细管凝胶电泳、毛细管电动色谱等[2]。近年来,毛细管电泳微芯片在DNA分析和测序、蛋白质和氨基酸的分离、免疫测定等应用方面取得了重要进展[3],一般是将分离电压直接施加在分离通道的两端进行分离检测,在电泳所需的分离场强下,其分离电压从几百伏到几十千伏,不能满足分析仪器个人化、家用化、便携式等要求。利用交流电压在分离通道上产生一定规律变化的电场进行电泳分离已经得到了广泛的研究[4],而利用直流同步循环分离技术所产生的变化电场来完成分离检测过程的思想也有所报道[5],已运用于毛细管凝胶电泳分离[6]。将分离通道等效为许多短分离通道的串接,利用电极阵列逐段施加分离电压,可在低分离电压下提供物质分离所需的高分离场强。对这种分段、梯度、交替循环施加电压的方式进行了研究,建立了相应的模型,并研制出了集电化学检测器为一体的低电压集成电泳芯片样品,为电泳芯片的集成化、便携式设计提供了一定的基础。

　　2　电泳芯片的结构及工作原理

　　电泳芯片是利用半导体微细加工技术将进样系统、分离系统和检测分析系统等集成在硅、玻璃、塑料等基体上,使毛细管电泳分离物质的整个过程在一块几平方厘米的芯片上得以实现,其结构如图1所示。

　　进样时,进样电压加在进样池A与进样废液池B之间,分离时,分离电压加在缓冲池C和缓冲废液池D之间。在进样电压作用下,混合组分样品从进样缓冲池经进样通道进入毛细管分离通道,分离通道里面的样品在分离电压的驱动下会出现电泳现象,即样品中各组分在缓冲液中因荷质比不同而产生淌度的差异,所以各组分在电场力的作用下将以不同速度运动,从而形成不同的组分区带在不同的时刻经过位于分离通道未端的检测器。此时,利用一定的检测方法便可获得电泳分离谱图,完成样品的分离分析过程。

　　3　低电压分离模型

　　低电压分离模型是利用分布在分离通道上的微电极阵列交替施加工作电压到分离通道上,以保证分离组分在每一段电压施加范围内受到较高场强的作用,从而完成快速高效的分离分析过程。其原理示意图如图2所示。

　　图2中,在电泳芯片的分离通道上按等间距a分布一系列电极对,并设计相应的低电压控制系统以控制分离电压在分离通道上施加的位置和时间。设分离电压为V,初始分离间距为2a。Ei,Ci,ti,li分别为第i次控制所加的场强,循环次数、控制延时时间及第i次分离完成后的总分离长度。分离过程中,首先在电极1,3之间施加电压V(E1=V/ 2a),驱动样品组分运动。在恒定的时间t1段内,以恒定的电场强度E1将电压V施加在2,4电极之间,依次类推,直至以t1和E1为控制时间和分离场强的第1阶段的循环次数c1结束,然后增加电压所施加的长度(E2=V/ 3a),进入控制时间为t2,分离场强为E2,循环次数为c2的第2阶段,……。如此递推,在分离通道上分段、梯度、交替循环地施加分离工作电压,形成运动的梯度电场,完成混合组分的分离分析。