高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究

1、复旦大学政学者论文集2002高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究水雯箐 化学系原98级本科摘要: 本文采用冷压法以聚甲基丙烯酸甲酯作了毛细管电泳芯片合形成封闭微流控系统 有机玻璃现01级硕士 印 刻通道高温热粘接或溶剂粘 本研究详细探讨 Polymethyl methacrylate, PMMA为基体材料制但只适用于制作简单的直形通道在加热软化的有机玻璃上用不同直径的金属丝这种方法加工芯片方便廉价了不同加工条件下槽道的几何特性以及原材料性质对芯片制作的影响压控制进行了研究 在成功制作高聚物微流控芯片和自制适用于电泳芯片的高压电源的基础上定量测定了微流控芯片槽道内的电渗流对进样-分离过程中的电

2、关键词微流控芯片 毛细管电泳 电渗 收缩进样 分离1前言1.1 微流控分析系统与毛细管电泳芯片 微型全分析系统 Miniaturized Total Analysis System, - TAS 或称芯片实验室Lab-on-a-chip 是一个跨学科的新领域微流控系统Microfluidic Analysis 是微全分析系统的主要组成部分它以分析化学为基础微电子加工技术为依托以微管道网络为 结构特征以生命科学为主要应用对象 是当前微全分析- TAS领域发展的重点及前沿 在微流控芯片领域发展最早至今最完善的是利用电渗流为主要以液流驱动手段的毛细管电泳分离芯片从1993年D. J. Harriso

3、n 等在Science 上报道他们以玻璃为基质利用光刻等技术制得毛细管电泳芯片之后有关微流控芯片的各方面的研究和应用成为世界许 多分析实验室的研究重点 微流控电泳芯片CE-Chip 是在常规CE 原理和技术的基础上利用微型制造技术在 平方厘米级大小的芯片上刻蚀出扁平的管道和其它的功能单元 通过不同的管道网络反 应器 检测单元等的设计和布局 实现样品的进样 反应 分离和检测是一种多功能化的快速高效低耗的微型实验装置 与传统的毛细管电泳相比CE-Chip 具有很多显著的优点焦耳热的影响比CE 小CE-Chip 的截面积比CE 小比表面积大所以 CE-Chip比CE 散热速度快CE-C hip较CE

4、 迅速由于CE-Chip 的槽截面积小管长短因而样品在芯片中的分离时间会比在CE 中的短即CE 分离一般需要几分钟到十来分钟而毛细管电泳芯片可以在几十秒到几分钟 内完成分离 电渗流泵已被证明可成功地应用于毛细管电泳芯片上作为注样和分离的动 力 这使得电泳装置较易于微型化 而且这种驱动方式不会造成明显的流体扩散在复杂 的管道网路中运送样品 注样 实现如试剂的混合 反应和分离等多种功能可以只通过 电场的变化和切换来完成 不需要其它如泵 阀门等装置因此在设计和应用上体现了很大的灵活性此外CE-Chip 比 CE更节约样品高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究1.2 微流控芯片的材质和加工 到目前为止

5、 采用过的毛细管电泳芯片的材质有晶体硅 玻璃 塑料主要是有机玻璃聚碳酸酯陶瓷硅橡胶五种目前高分子材料作为毛细管电泳芯片的基体材质 已经吸引了众多研究者的注意 其中 有机玻璃是最常见的 由于塑料价格便宜制作工 艺相对简单 加工的可重复性较好 因此塑料材质有一定的发展前景 但是它也有自身难以克服的缺点高温和高PH 值条件下稳定性下降材料的散热性不如玻璃一般在紫外区不透光不耐有机溶剂等 塑料一般用注塑印迹或激光烧蚀注塑法是先用硅片的制作方法制成硅负片然后利用此负片制成一个Ni 的母板再利用此母板制出子板最后再利用该子板作模子用注塑 的方法制出许多塑料芯片 印迹法主要是应用细直径的金属丝或硅负片制作芯

6、片应用金 属丝刻槽只能用于刻比较直的槽 用硅负片印模的步骤类似于上 但可制作槽多槽形状曲折的芯片激光烧蚀法制塑料芯片是将高强度的激光从掩膜上射向如 PMMA 聚乙烯聚 碳酸酯等塑料 瞬间将塑料片的特定位置烧蚀 形成所需的形状 该方法制成的槽垂直规则误差小有电渗流且电渗流与所加场强成线性关系1.3 微流控电泳芯片上的进样及电泳模式 常规毛细管电泳至少有三种进样方式 它们各自的控制因素和特征如下所示表3-8 常规毛细管电泳的进样方式 进样方式电动进样 压力进样 扩散进样 控制参数 电场强度进样时间 两段压差进样时间 扩散时间 普适性方法无进样偏向特征 但对离子组分存在进样偏向 但对样品和背景的选择

7、性差 抑制进样偏向 初始区带畸变较小迄今电泳芯片的进样模式绝大多数为电进样压力进样也有报道电进样最初多采用十字交叉口的结构来实现随后提出了T 字双T 字和窄道进样等多种方式进样方法的丰富是为了满足样品预浓缩或者增加进样量的分析要求 与常规毛细管电泳类似毛细管电泳芯片也能采用灵活多样的电泳模式以适应于不同的分析要求常见的有毛细管区带电泳毛细管凝胶电泳毛细管亲和免疫电泳胶束电动色谱等此外为了提高分离效率毛细管电泳芯片还借鉴了其它分析手段例如 可以借鉴HPLC 中的梯度洗脱分离效果会大大提高1.5 电泳芯片电渗及电渗的测量方法相比于玻璃石英表面的电渗流的成熟研究由于对高聚物表面性质如电渗流及分析物的

8、吸附情况缺乏深入了解使得高聚物微流控系统内流体性质的研究同其制作工艺的发展不相适应电渗流是一种槽壁驱动现象给定电场下的电渗流速主要取决于单位管壁上的电荷量对于玻璃表面由于存在离子化的硅羟基基团在PH=7时管壁带负电同理也可由高聚物本身材料的化学组成推断出其电渗方向和速度然而由于市场上销售的高聚物材料中都不可避免地添加了添加剂和表面处理剂使得预测塑料表面电荷变得相当困难因此为获得真实的电渗流数值必须直接测量复旦大学政学者论文集2002 测定电渗流的方法由三种1. 通过测定中性物质在所加电场条件下流经毛细管所需时间 对于这种方法要求被测物质是绝对中性且同管壁的作用可忽略容易检测2. 称量从毛细管一

9、端迁移至另一端的电解质质量来推算出电渗流的大小3. 电导法 Current-Monitoring Method 既不需要中性溶质也不需要与之相应的检测器是一种方便 应用广泛的电渗测定方法 其测量原理示意图如下所示 图1-2 利用电导法测电渗流的方法示意图当毛细管中充满具有高电导率的溶液a 时整个电路保持稳定的电流I 1当其中一贮液池中注入电导率低于原缓冲液a 的同种缓冲液b 时加压后整个电路电流逐渐变小直至缓冲液b 完全充满整个槽道此时低于I 1的稳定电流得以保持这一电流变化可以通过电路中所外电阻两端电压的变化转换为电流求出 文献报道的实验结果如下图1-3 . 电导法测电渗理想结果示意图 注线

10、A 代表的是缓冲液 b 取代高电导率缓冲液a 过程中电流的变化线B 代表的是由高电导率缓冲液a 再次取代缓冲液b 充满毛细管过程中的电流变化高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究线A 起始点的最大电流值代表的是毛细管中充满具有高电导率的溶液a 时的稳定电流 值随低电导率缓冲溶液形成的电渗由一贮液池流向另一仍为高电导率缓冲液的另一贮液池毛细管中的电导变小电流也随之变小直至另一稳定电流的形成因而电渗所用的时间便是电流变化所用的时间线B 的过程类似于线A 为了由于两贮液池内溶液体积不同而造成水压形成误差试验中应尽量使两贮液池中的溶液体积相等由时间t(如图中所标 便可求得有关电渗的各种物理量参考结果与

11、讨论部分 3.21.4 电泳芯片的质谱检测与应用由于CE-Chip 的样品量很少因此灵敏度高的检测方法也是芯片研究的热点检测方法包括光学检测主要是激光诱导荧光电化学检测质谱检测化学发光检测等 质谱能够对痕量物质进行有效的检测并且可以鉴定核酸和多肽等许多化合物 因此CE-C hip 与质谱的联用大大提高了毛细管电泳芯片的应用范围这项技术的难点在于接口的设计现可归纳为以下三种形式1 出口直接喷雾型 在微流控芯片槽道口流出的待分析溶液在电场作用下直接喷雾离子化该接口直观简单适用于连续流试样分析但不适宜高灵敏的检测要求由于对基材的高度浸润性试样流在芯片的出口端平面上极易铺展 引起组分的稀释和区带增宽2

12、 外接喷雾毛细管型在芯片出口处外接 一段毛细管实现电喷雾 此种接口易实现良好的喷雾状态纳喷雾概念的提出使该接口得到简化将一小段喷口拉细至10m 或更小的毛细管连接到芯片上,从而省却一整套辅流或液接的部 件同时更小的喷雾滴有助于提高分析的灵敏度和分辨率其次 该种接口能够方便地控制喷雾电压3 集成一体化模式该模式设想把电喷雾段整体加工在芯片结构内高分子材料由于其良好的加工性能低 廉的成本 种类性质的多样化成为首选基质 微电子机械系统Microemechanical system s, MEMS 为一体化的chip-MS 的实现提供了加工技术随着 芯片上的蛋白质组学 Protemomics on a

13、 Chip的提出芯片已成功应用于蛋 白质的纯化 除盐 和分离 酶解和前处理 质谱的鉴定等方面 除此之外毛细管电泳芯片也用于染料药物蛋白质的分离DA N 的测序PCR 反应生物细胞分析等领域发展前景十分广阔1.6 本课题的研究意义本课题采用室温冷压- 热粘合法制作毛细管电泳芯片 提供了一种相对简单 廉价迅速的手段经过对不同来源原材料加工性能的比较进一步完备细化高聚物芯片的制作工艺使聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片的微加工流程基本成熟对芯片槽道电渗流的测定为为优化分离条件考察槽道的吸附情况以及研究表面改性均奠定了必要基础针对微流控电泳 芯片进样-分离的电场特征而设计研制的高压电源 可提供多种加压模式使芯

14、片上进样-分离的操作具有各佳的灵活性有利于日后的程序化 对进样-分离过程中的电压调控试验有益于对芯片进样量预处理和在线分离效率的进一步研究复旦大学政学者论文集20022 实验部分2.1 仪器和设备1 加工环节 聚甲基丙烯酸甲酯PMMA 板材2mm 厚 上海珊瑚化工厂Goodfellow Company, England钼丝直径为50微米和100 微米 上海东方钨钼材料厂 小型气压机00.6 Mpa, 压力柱截面积31.2cm 2 金岛气动设备无锡有限公司 单向阀油压机020Mpa, 压力柱截面积50.24cm 2 上海华申液压件厂9720气相色谱仪 浙江温岭市福力分析仪器有限公司 KW-4A

15、型台式匀胶机 中科院微电子中心研究部2 表征环节NV200HR 光学表面干涉轮廓仪 Zygo Corporation, USAIntel Play电感耦合显微镜放大倍数 10/60/200 Intel Corporation, USA XSP-3CA (2C 3A 生物显微镜 上海光学仪器厂A Ver USB 视频转接器 A Ver Media Corporation, USA应用环节 自制电泳高压电源具体元件组成见电源制作部分TDS220双通道示波器 Tektronix Corporation, USA2.2 试剂 去离子水浓度为10mM 和20mM 的磷酸钠缓冲液 PH=7浓度为0.05m

16、ol/l的次甲基兰溶液乙酰丙酮 分析纯2.3 PMMA 为基质的毛细管电泳芯片的制作1 压制槽道PMMA 板尺寸为2cm 4cm 2mm 用两块玻璃片夹住PMMA 基板与钼丝置于油压机加压面上预调压力大小 2.53.5Mpa启动施压保压1min 降压取出基板同理在盖板上压制出垂直于基板槽道的微槽2 加工贮液池用手钻在盖片上相应位置钻出4个直径为2.5mm 的圆孔作为贮液池 3 粘合一对PMMA 片经超声清洗蒸馏水淋洗后用高纯氮气吹干水滴z 热粘合 气压仪置于气相色谱加热箱内PMMA 片以载玻片相夹 平放入气压机加压面根据材料来源设定粘合温度同时外控施压恒温18-20min 缓慢降温至40降压取

17、出 z 溶剂粘合 此时贮液孔打在基板上盖片为一空板将盖片放置在台式匀胶机上预设合适转速约3000转/ 分启动距旋转停止3秒时自盖片上方滴加500ul 乙酰丙酮三秒钟后用基片覆盖盖片并上压一重物保压1min 后 即获得粘好的芯片2.4 槽道的外观测定 用光学显微镜初步观察槽道的几何形状 可外接视频转换器截取图像 而后将芯片固定在三维操作平台上利用Intel CCD成像仪摄取槽两端剖面图借以计 算槽深宽 为精确获得槽道内多点的几何参数我们使用光学表面干涉轮廓仪在同一条槽上依次获高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究 取若干点深宽数据 2.5 电渗流的测定 图2-1 用于测EOF 的芯片简图贮液池1

18、与高压电源相连贮液池2与100K 采样电阻相连实验步骤如下1 分别配置50ml 的20mM 磷酸溶液1和10mM 磷酸溶液2在pH 计指示下用NaOH粉末调节pH 至7构成相应的缓冲液 2 用蒸馏水清洗槽道 10min 3 用缓冲液1清洗槽道 10min4 吸净两贮液池内缓冲液同时加入等量的缓冲液1 插入电极5 池1接高压源 同时开示波器记录采样电阻电压以此求得槽道内电流 6 保持高压不断吸去池1中溶液7 示波器重新开始采样此时断流显示值为零8 用绝缘注射器立即向池1中注入缓冲液2 同时示波器记录下电流变化 9 待电流重新稳定不变后关闭高压电源 吸去两贮液池内剩余溶液10 开电源待电压输出稳定

19、后迅速向两贮液池内注入缓冲液2同时示波器记录电流变化与步骤8趋势相反2.6 对电泳芯片上进样-分离的电压控制十字交叉型的CE-Chip 的结构如下 图2-2 十字交叉结构的芯片示意图在贮液孔周边粘上一小段50ul 的Eppendorf 管在其盖上钻孔供插入固定铂丝电极之用同时密闭的贮液池也可减少溶液的挥发和污染 四根电极丝分别与自制高压电源的四个输出端相接PMMA 芯片安放在光学显微镜的移动平台上芯片内有色溶质流的迁移情况可通过显微镜外接视频转换器在电脑上加以观察和记录 整个系统装置如下复旦大学政学者论文集2002 首先利用自制抽气装置清洗槽道使之完全充满20mM pH=7的磷酸钠缓冲液打开电

20、源由电流指示确认体系导通而后关闭电源吸去贮液池2中的溶液加入次甲基兰试样再次加压按下述模式实现芯片上的进样-分离操作同时记录样品区带的迁移图像 表2-1 芯片上进样 -分离过程的加压模式贮液池序号进样环节 分离环节V 2 V 3V 1V 2V 44注 实际操作中V 1=500V, V2 在100600V 之间变动 V 3V 4分别在8001000和0300之间变动三 结果与讨论3.1 槽道的加工外观表征及芯片粘合 3.1.1 槽道外观的表征a 同种材料所得槽道的比较图图3-1 CCD拍摄的槽道剖面图高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究 图3-2 光学表面外观轮廓干涉仪测绘的槽道剖面图 图中细

21、线代表由光学表面外观轮廓仪测得的数据粗线代表通过CCD 观察推测出的槽的轮廓表3-1 同一根槽不同点取样拍摄的槽道几何数据表 取样点 槽道宽度槽道深度深宽比m m * 槽道外观的表征是建立在对槽宽度和深度的测定的基础之上所测槽宽是指槽上表面的宽度, 深度指由槽上表面至槽最深处的距离 所取的A, B, C, D, E是从槽道内平均分布的的五点因而该数据可以较科学的反映整个槽的全貌必须说明的是由于油压机控压较粗糙 无法保证每一次刻槽所加压力的同一性因此槽与槽之间的数据存在一定差异此差异可由表2看出该数据是在相同室温下略微改变压力在两块 24cm 2 国产PMMA 基材上用同样一段直径50m 钼丝所

22、压槽道内平均取五点通过光学表面外观轮廓仪测定的表3-1. 相同温度下由于压力差异造成槽差异性的比较编号施加压力 MPa 12.6 13.8槽道平均宽 度 m 62.4 64.4槽道平均宽度m29.8 26.5深宽比平均值0.48 0.41 b 不同材料槽道外观的比较高聚物的内应力是指没有外力存在下材料内部由于加工不当温度变化溶剂作用等原因产生的应力 23内应力的存在使得材料在使用过程中易发生开裂和出现银纹24材料是否存在内应力可由溶剂法24进行检测将购得的同样大小的国产和进口PMMA 薄片同时放入丙酮中浸2min 取出放置2h 后放在灯光下观察发现国产PMMA 基材上布满银纹而进口基材上不出现

23、银纹这说明国产材料的内应力明显大于进口材料可能是加工过程中退火效果不佳所致将国产材料切割成小片置于两片载玻片之间放入色谱仪中以1C/min的速率程序升温至85C高于材料本身的软化温度恒温2h 后以2C/min的速率缓慢降至室温取出后用溶剂法检测银纹不再出现说明内应力已消除进一步考察三种材料即国产原材料国产去应力材料和Goodfellow 所产PMMA 在相复旦大学政学者论文集2002同条件下用100m 直径钼丝所刻槽道的区别下列数据是利用CCD 察看槽道两端截面测得 表-2 相同条件下不同材料槽道外观的比较 材料种类 国产原材料 国产去应力样品个数槽道平均宽度m槽道平均深度m深宽比平均值 Go

24、odfellow由以上数据可以发现去应力后的材料所得的槽道无论从宽度或深度上都小于去应力前的材料原因可能是聚甲基丙烯酸甲酯在软化再退火过程中形成了高度有序性的取向态结构 定向有机玻璃从而提高了材料的冲击强度和抗应力开裂性能消除了银纹24因此去应力后的材料相对于未去应力前提高了抗压能力形变减小国产与进口材料所得槽道的差异可归咎于同一单体由于生产工艺和条件的差异造成实际所得PMMA 的微观结构的差异使其宏观加工性质差别明显3.1.2 盖片与基片的粘合粘合(bonding是芯片制作的极为关键的一步 影响PMMA 板材粘合性的因素很多25包括材料本身的浸润性和粘合表面的清洁度等材料润湿性的改善较为复杂

25、因而为了提高材料本身的粘合性粘合前应尽量提高基材表面的清洁度我们所进行的粘合前处理就是为了达到这个目的实验也证明进行过如此处理后的粘接效果较过去有明显提高除此之外为避免粘接过程中两板间产生气泡 必须保证粘合平面的平整性为此 在用手钻打完贮液孔后需刮净磨平洞周围的粗糙部分维持原平面的平整 a 热粘合热粘合的温度和压力及粘合时间是关系成败的重要参数如压力过小温度不够高或加热时间太短易在两板间产生气泡使芯片难以密封反之则槽道变浅甚至消失粘合成功的另一要点是在基材玻璃化温度T g 之上保压而后缓慢梯度降温使得已粘合的芯片不至于因骤冷而强烈收缩破坏粘合层经过长时间的摸索我们终于确定分别适合国产去应力和不

26、去应力无明显区别和进口PMMA 的粘合条件如下表所列 表3-3 不同来源地PMMA 粘合条件比较 板材种类粘合温度C粘合压力(Mpa粘合时间 (min降温速率 C/min 国产进口玻璃化温度是关系到高聚物芯片热粘合的重要参数同一单体不同的几何立构可能对应截然不同的玻璃化温度如间规力构的PMMA 的玻璃化温度是115C,而全同力构的PMMA 的玻璃化温度是43C 因而两种材料粘合条件的悬殊可以推测为是由两种PMMA 微观结构的差异决定而这种差异是由不同的生产条件导致 b 溶剂粘合我们除了尝试利用物理的热粘合之外还成功地使用化学溶剂将盖片与基片有效粘合该方法利用特定溶剂对仅有几个微米厚度的PMMA

27、 表面进行腐蚀*使两片材料粘合该方法的关键是有机溶剂必须均匀且厚度合适得分布在盖片上溶剂层过厚表面腐蚀严重槽道受损太薄由于使用的1,4-二戊酮是挥发性溶剂达不到适当腐蚀的效果同样对待粘合表面的彻底清洗十分必要因此旋转镀膜仪的转速及镀膜时间是实验中的重要调节因子经多次试验获得合适的转速和镀膜时间分别是3000转/分和3秒需说明的是本试验采用的是22cm 2大小的基材高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究若改用 24cm 2的基材要达到同样的粘合效果预测所需转速会减小而镀膜时间加长在显微镜下观察粘合后的槽道深度没有明显的变化但由于国产材料本身存在的内应力在粘合表面产生银纹 而进口材料则无银纹出现

28、3.2 PMMA电泳芯片内电渗流的研究电导法是利用体系电流变化测定EOF(Electroosmotic Flow的方法用另一浓度的缓冲溶液取代分离槽道中的原浓度缓冲液由于溶液离子强度不同引起电路中电流变化所需的时间对应于槽道的电渗速度电渗速度的计算公式为V eof =Lt-1 (Eq.1t 代表第二种缓冲液完全取代并充满微槽所用的时间L 代表两贮液池间槽 道的长度电渗率的计算公式为eof= Veof E -1 (Eq.2E 代表两贮液池间的电场强度本实验利用10mM 和20mM PH 皆为7的磷酸钠缓冲溶液在刻有单槽的国产PMMA 芯片上测定电渗流其中 L = 3.5cm E = 260 V.

29、cm -1表3-4.电导法所得电流变化时间表测量序号 电流上升时间 电流下降时间144.5 s 45.0 s2 45.0 s 44.0 s 3 46.0 s 44.5 s由原理可知缓冲液离子强度变化引起槽道电流上升和下降是对称过程理论上应相等故可以将以上6个数据取平均得电迁移时间t = 44.8 s RSD=13%因而由Eq1Eq2得 Veof = 7.810-2 cm.s-110-4 cm2.v -1.s -1 eof = 3.0图3-3 电导法所测电流变化过程图电渗是一种液体相对于带电的管壁移动的现象电渗的产生和偶电层有关对于石英毛细管电渗由壁上以阴离子形式存在的无数硅醇基团所控制而聚甲基

30、丙烯酸甲酯表面较难产生带负电的基团电渗可能是由于内壁吸附产生的由于电渗流的方向是由贮液池1流向贮液池2即由正极流向负极说明管内壁吸附的是正离子而液流所带为负电将所得的数据同文献20中报道相比如下复旦大学政学者论文集2002 2-1-1 芯片种类 自制国产PMMA 芯片 文献使用PMMA 芯片eofcm .v .s 3.02.510 10 -4-4该表说明国产材料制得芯片的电渗率小于国外文献中使用的高聚物芯片因而可以推断出国产PMMA 材料的吸附能力大于进口聚甲基丙烯酸甲酯材料芯片槽道内电渗流的研究为优化分离条件考察槽道的吸附情况以及研究表面改性均奠定了必要基础3.3 用于毛细管电泳芯片的高压电

31、源的设计制作由于电泳芯片多采用电驱动的进样模式加之进样完成后要连续进行分离操作使用若干普通高压电源与芯片简单相连会带来实际操作的诸多不便因而有必要自行设计一台供电泳芯片专用的电源从而实现多种加压方式的切换 有效控制液流的走向和流速该部分工作涉及较多的电子学方面的知识所幸的是在电源的研制过程中杨老师和实验室的师兄给予了关键性的指导和帮助尤其是杨老师不辞劳苦得进行了许多有关搭建电路的示范操作使我在一个月的实践中获得了对电子学感性切实的认识并学会了几种实用性强的操作技能这些让我体会到了学科交叉强调动手对于分析化学研究的重要意义下图为我所研究的电泳芯片的简单构型图20本节为便于阐述电源设计原理有必要先

32、概括收缩进样-分离对4个贮液池的加压步骤此即为电源需设计达到的要求表3-5 收缩进样-分离的加压模式 缓冲池序号 进样环节 分离环节R 1 V 2 V 3R 2 V 1R 3 R 4 V 2V 4V 4 说明(1 V1V4代表4种不同的电压值且能够在实际加压前预设定任意值 (2 “GND”表示接地(3 进样与分离两环节的切换需迅速便捷, 否则会加强区带增宽高压电源的初步设想中以耐高压的继电器实现进样与分离电压的切换小型高压模块采用5V 低压电源激发使用电位器调节输出大小但该设计中仅预设了3个高压模块这意味着只能提供三种电压无法满足供给V1V4四种不同电压的要求实际上该电路设计所能达到的效果如下

33、表所示表3-6 高压源初步设计的加压模式 缓冲池序号 进样环节 分离环节R 1 V 2 / FR 2 V 1R 3R 4V 2V 3F高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究说明(1F 表示电极浮地(2/表示可选择前后两种加压方式如V 2/F表示进样时R1处既可施加V 2进行收缩进样 也可浮地进行普通进样(3 “V2*” 表示收缩进样使R3可加以不同于V 2的电压这是由于考虑到十字交叉点到R1和R3的距离不同为达到交叉点两侧的实际电压一致加于两缓冲池的电压应有差异足以抵消两段槽道引起的不同电压降但该种设计在分离过程中使R2R4只能够浮地 这会造成区带迁移的一些不理想变化具体数据和分析见下一节经过

34、与导师的讨论我们对最初的电源线路设计进行了较大的改动 1 采用四个高压模块 提高加压方式的灵活性2 以8挡波段开关代替继电器对于间隔式设计它可实现4种加压模式之间的快速切换两个波段开关联用增加高压使用的安全性3 以数字面板表代替指针式电压表8只三位半数字表可同时精确得显示四路电压值和相应的电流值这为监控电泳的实际情形提供了很大方便 图3-5 改进后的高压电源设计框图 表3-7 自制高压电源多用元件及来源电源的主要组成元件 数量 生产厂家5000V 高压模块上海科盛电子仪器厂 2000V 高压模块上海科盛电子仪器厂 市场购买?AD620运算放大器UP8035三位半通用数字面板表上海众金电子有限公

35、司市场购买 8档波段开关市场购买5.6K 电位调节器电源开关及指示灯需指出的是由于高压模块的输出与输入端共地依照现行电路无法测量各个模块的输各1 市场购买复旦大学政学者论文集2002出电流而只能得到四个模块的总电流讯号但这已能够显示电泳电流的通断状况我们计 划进一步改进对电流的监测电路实际使用中我们还发现当四个电极接入电泳芯片并加以预设电压时体系内会发生一定程度的的串流现象这表现为当V1 设一较高值时V2无法调零而有一底限电压值这是因为槽道内电解质溶液构成一导体造成V1电压影响到V2之后我们在每个高压模块输出端连一个二极管用以阻断反串电流结果数字面板表可显示零值并且实际测得的V2电压也有所下降

36、 有利于考察调节电压对样品电迁移的影响3.4 微流控芯片上进样-分离过程的电压控制我们采用十字进样来研究考察自制电源对电泳芯片进样- 分离过程中的电压控制状况 在进样阶段预设V1=500V , V2在100V600V之间每隔100V 变动观察进样塞的长度与浓度变化结果表明V2值越大对进样塞的收缩效应越明显则进样塞长度越短浓度越高 以下显示的是V2分别等于100V 和500V 时的十字交叉点的CCD 照片在其左侧是悬 空进样和收缩进样的理论模型图 图3-6-1 悬空进样示意图 图3-6-2 十字进样点的CCD 图V2=100V 图3-7-1 收缩进样示意图 图 3-7-2 十字进样点的CCD 图

37、V2=500V对比理论图形与实际进样的图片发现V2电压较低时类似于悬空进样随着所加电场的增强进样塞被挤压的越明显逐步过渡为收缩进样模式实际上真正的悬空进样应使两缓冲池R1R3浮地如此引起的区带扩散会更加严重最终我们选用V1=V2=500V 的收缩进样模式高聚物微流控芯片的制作和分离性质的研究 分离过程中决定样品塞聚集程度和电迁移速率的不仅有分离电压V3, 加于 R1R3上的V4 对之也有一定的影响作者与前一届君政学者曾研究过以PMMA 为基质的电泳芯片 中迁移时间与分离场强之间的关系芯片槽长5.30厘米以0.010M 磷酸二氢钠溶液为缓冲液0.05M 次甲基兰溶液为分析样品测定其迁移时间表3-

38、9 不同分离电压下的迁移时间电压 (V 场强迁移时间t(S1 775 1402 850 1173 1200 884 1350 755 1510 656 1680 59 V/cm分析图中数据可知迁移时间与所加电场强度基本成反比关系这与毛细管电泳理论的推导相一致在此基础上我们考察了相同分离电压下V4的变动对分离速度与分离效率的影响 预设V3=800V , V4在0V 120V 和 200V 三者间选择 CCD 拍摄的图片直观地显示出 不同V2下的样品流差异图3-8-1 V4=0V 时的样品流图 图 3-8-2 V4=120V 时的样品流图 对照上述二图可发现右图中的样品塞显然浓于左图中这是由于不同

39、V4电压值直接影响R1中的缓冲液流向其余三个贮液池的配比V4越高流入分离槽道的缓冲液份额越高槽道内流速越快样品区带扩散越小需指明的是毛细管电泳中电渗流的理想流型为扁平状这意味着原则上电渗不会在给定时间内导致溶质区带的扩张但芯片内的实际槽道由于加工过程引入的表面不均匀性会增加引起流型扩散的因素从而使时间即流速也可能影响分离效率四 结论和展望以PMMA 为基体材料用室温冷压法制作毛细管电泳芯片具有快速方便造价低等显著优点利用自制的电泳芯片和多模式高压电源研究了PMMA 电泳芯片的进样-分离的电压控制和电渗流性质为进一步优化发展微流控芯片上的电泳分离前处理以及与质谱联用提供了实验基础作者正在尝试多种Chip-MS 的连接方式例如直接在芯片前端制作电喷雾喷口或外接纳喷雾喷针凭借这些方法有望实现芯片毛细管电泳和质谱的在线联用建立一个高通量的快复旦大学政学者论文集2002速的生化样品分离分析技术平台致谢本课题是在秦惠君- 李政道中国大学生研究基金的资助下完成的同时在研究期间又被列入国家自然科学基金项目感谢李政道夫妇提供君政学者基金资助本人的研究衷心感谢我的导师杨芃原教授的悉心指导感谢合作者苏佳黄懿李晨同学的鼎力相助感谢顾诚老师在技术上给予的热心帮助感谢