[发明专利]电动微流体芯片中降低样品带宽的壁面电势优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及微流体芯片领域，具体涉及一种电动微流体芯片中降低样品带宽的壁面电势优化方法。

背景技术

近年来，随着微流体芯片实验室的快速发展，电渗也被应用于纳米量级的微流体的驱动和控制、样品的混合和分离等方面，从而它可以用于生物和化学分析以及疾病的诊断，是最成功的微流体驱动和控制方法之一。在微米乃至纳米尺度的流动装置中，电渗驱动与压力驱动相比具有以下两个方面的优势：第一，电渗流场中的流体速度在很大范围内与管道或槽道的截面积无关，这有利于微尺度下流体的驱动与控制；而在压力驱动中，为了保证一定的流速，所需的压力梯度与管道或槽道水力半径的平方成反比。第二，与压力驱动流速度的抛物线分布不同，电渗流的速度剖面呈活塞状，除了靠近壁面很近的一部分外，其余地方的速度几乎相同。

微流体芯片的样品分离系统为了在有限面积的微芯片上取得很长的分离长度，往往需要引入弯道。当一个样品流经弯道处时，样品条会发生变形，进而增加了样品的带宽，而这对于检测是非常不利的，甚至会抵消增加分离长度所带来的有利因素。Culbertson等^[1]指出，弯道引起的样品扩散是由于内外径的差异以及电场强度的差异。对于一个具有Δθ角度、中线半径为R、宽度为w的弯道引起的样品变形为2wΔθ。另外，在快速扩散限制下的轴向扩散可以表达为：(D_effτ)^1/2∞(Eμ_Ew⁴Δθ/(RD))^1/2，其中D_eff为有效扩散系数，D为分子扩散系数，τ是样品穿过弯道所需的时间。

减少由于这种弯道中的样品轴向扩散是现在研究的一个重点。一般来说，有两种方法来减少这种弯道引起的轴向扩散：弯道的几何形状的优化和改变壁面电势的分布和大小。实际上，很多的几何优化方法已经提出来，并且取得了一定程度的效果^[2][3][4]。但是，由于对复杂几何形状的弯道加工比较耗时，并且对加工技术的要求也很高，这些因素在一定程度上限制了这种方法的应用。

另外，通过改变壁面电势大小和分布可以很好地减小弯道中的样品条的轴向扩散^[5][6]。近年来，特别是随着壁面电势改进技术的快速发展^[7][8]，变壁面电势这种方法成为一种很有应用前景的技术。对于毛细管电泳中的理论塔板数可以描述为：N＝L²/σ²＝(μ_eo+μ_ep)V/2D＝N_max^[9]，其中μ_eo和μ_ep分别为电渗淌度和电泳淌度，V为管道两端的电压差值。另外，样品分离过程中，假如两个样品条要很好地分辨出来，有如下的要求：其中，Δμ是两种物质之间的淌度之差，而μ_avg是它们的淌度的算术平均值。从上述表达式可以看出，对于两种淌度相近的物质，它们若想很好地被分辨，就要求理论塔板数N要比较大才行，进而通过N与外加电压的关系得知，当外加电场比较大时，两种电泳淌度相近的物质才能比较好地被分辨。

一般的芯片电泳的通道两端，所加的电压为几千伏每米，在这样高的电压下，很容易产生焦耳热，具体的热源可以表达为λ·E²，其中λ为微管道中的电解质溶液的电导率，E为电场强度，进而它会引起微管道中的流体温度的升高，并且产生径向和轴向的温度梯度，这些因素都会加速样品的轴向扩散，从而使得检测效果降低，见Knox^【11】。实际的研究表明，这种样品带宽的增加主要是由于电泳速度的变化引起的，而不是电渗流速度引起。然而，因为径向温度梯度一般都很小^【9】，因此，这种由于径向温度梯度引起的样品带宽增加可以忽略，这就说明出口处样品带宽的增加主要是由于整体温度升高而引起的抛物型的速度形状引起的轴向扩散，因此在芯片电泳中这种速度形状需要进行修正成为塞状。前面提到的很多研究中，一般都是单独考虑焦耳热或者弯道对样品扩散的影响，而不是综合考虑它们的整体影响效果，从而给出一种很好的解决方案。

发明内容

本发明的目的是综合考虑焦耳热及弯道效应对样品扩散的影响，给出一种比较好的方法来降低电渗流驱动的弯道中样品的轴向扩散。