[发明专利]用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于实现多次进样的毛细管芯片电泳结构及其实现方法，属于电泳及微流控技术领域。

背景技术

毛细管电泳（CE）又称高效毛细管电泳（HPCE，High Performance Capillary Electrophoresic）或毛细管电分离法（CESM），是离子或荷电粒子以高压直流电场为驱动力，在毛细管中按其淌度或/和分配系数不同进行高效、快速分离的一种新技术。高效毛细管电泳已经用于糖类化合物的分离检测、氨基酸对映体的拆分、蛋白质、多肽分析、神经递质类物质的分离检测、寡核苷酸的分离、DNA 测序和 DNA 限制性片段分离等分离分析研究。

Jorgenson和 Lukacs，于1981年使用75μm内径的熔融石英毛细管，采用电迁移进样和灵敏的荧光检测，在30KV电压下产生4×10⁵/m的理论塔板数，这样高的柱效成为高效毛细管电泳划时代的里程碑。目前，国际上的HPCE研究侧重于应用，而新的分离模式及联用技术的研究也取得不少突破。

HPCE结构，在应用广泛的毛细管区带电泳中，毛细管和电极槽内充有相同组分和浓度的背景电解质溶液（缓冲溶液），样品从毛细管的一端（称为进样端）导入，当毛细管两端加上一定电压后，荷电溶质便朝与其电荷极性相反的电极方向移动。由于样品不同组分间的淌度不同，迁移速率不同，因而经过一定时间后，各组分将按其速率（淌度）大小顺序，依次到达检测器被检出，得到按时间分布的电泳谱图。这种谱图类似于色谱的流出曲线，每一个峰代表一个组分，迁移时间类似于色谱的保留时间，可作定性分析，谱峰高度或面积可作定量分析。但是，这种传统的熔融石英毛细管电泳的缺点有：1）石英毛细管很长，电泳的时间很长；2）毛细管的两端电极槽很大以及毛细管的长度造成了电泳仪体积很大；3）由于毛细管的长度造成通电的电压很高；4）进样量很难控制。

由于以上缺点，后来研发出芯片毛细管电泳技术，所谓芯片毛细管电泳技术就是将样品处理、进样、分离、检测均集成在一块几平方厘米的芯片上的一项微型实验室技术，又称集成毛细管电 泳 芯 片（ Integrated Capillary Electrophoresis Chips, ICE 芯片）。这项技术可望发展成微全分析系统和芯片实验室的主流技术。研究和广泛应用，将使DNA和蛋白质检测、环境监测、新药研究开发、食品安全检测等许多领域产生革命性的变化。

1）毛细管电泳芯片的材料和结构

毛细管电泳芯片的基体材料有石英、玻璃、硅片、高聚物、陶瓷和硅橡胶等几种，玻璃是目前使用最多的芯片材料，成功应用主要与其所具有的良好的光学性质、散热性和绝缘性以及已研究透彻的表面性质，在过去40年这些材料的微加工方法在微电子领域得到了成熟发展。ICE 芯片技术是在半导体的微制造技术基础上发展起来。以玻璃为基片的毛细管电泳芯片制造过程，一般经过沉积、光刻、刻蚀和键合四步工艺。虽然采用干法刻蚀可以在玻璃上获得高深宽比的微管道，但管道的表面比较粗糙，从而降低了电泳的分离效率。所以一般采用湿法刻蚀的方法在玻璃上制作光滑的微管通道。用塑料材料来做基体材料价格便宜，有良好的绝缘性，可施加高电场实现快速分离，成形容易，批量生产成本低，易获得高深宽比的微结构，且电渗流与溶液的 p H 基本无关，具有广阔的应用前景。硅橡胶中最常用的是聚二甲基硅氧烷（PDMS），其优点有：价格便宜、可大规模生产，制备容易、耗时短、容易封装。高聚物材料的与玻璃相比信噪比比较差是当前面临的问题。

毛细管电泳芯片的通道深度一般为 10 ～100μm，宽度为 30～200μm。电泳芯片分离微通道的结构主要有直线型、螺旋形、多边形、弯曲形等。其中直线形结构简单、分离效率高，但仅适用于较短的分离通道，螺旋形具有较大的曲率半径，分离效率较高，适合于较长的分离通道。多边形结构紧凑，但在拐点处存在死体积区，使分离效率降低。弯曲形具有结构紧凑的特点，但由于弯曲处的“跑道效应”，将使样品区带增宽。随着人们研究的深入，通道数量也在不断增多，从最初的单通道结构， 到后来的 8 通道、12 通道、16通道，48通道、96通道，发展到现在的 384 个通道。

2）芯片毛细管电泳的进样