芯片式薄層電解池毛細(xì)管電泳聯(lián)用技術(shù)研究

茹立軍，李文有

酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉 735000

毛細(xì)管電泳技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)走過了幾個(gè)世紀(jì)，早在1981 年，就已經(jīng)有研究人員使用75pm 熔融石英毛細(xì)管作為分離通道，將氨基酸進(jìn)行了快速、高效的分離，此外還根據(jù)色譜理論對(duì)毛細(xì)管區(qū)帶點(diǎn)臃腫所出現(xiàn)的譜帶分散過程進(jìn)行了系統(tǒng)的解釋，形成了現(xiàn)代毛細(xì)管電泳。毛細(xì)管凝膠電泳以及毛細(xì)管等電聚焦法是由Hjerten 在1983 ～1985 三年間先后提出的，這兩種方法對(duì)于分辨效率的提高起著非常關(guān)鍵的作用，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作。下面在介紹幾種重要的毛細(xì)管電泳分離模式：

1）毛細(xì)管區(qū)帶電泳

毛細(xì)管電泳使用最為廣泛的就是該分離模式，它是根據(jù)不同荷質(zhì)比的組分在充滿電解質(zhì)溶液的毛細(xì)管中，在電場作用下所形成的淌度不同而實(shí)現(xiàn)分離的。這種分離模式雖然適用性很大，但是該模式不能夠用于中性物質(zhì)的分離。因?yàn)橹行晕镔|(zhì)的淌度差為零，不滿足該分離模式的分離原理。

2）毛細(xì)管凝膠電泳法

該分離模式是毛細(xì)管電泳中分離效率最高的。想毛細(xì)管中注入粘度大且抗對(duì)流的凝膠后，可以進(jìn)一步的降低溶質(zhì)擴(kuò)散程度，把譜帶的展寬限制在一定范圍內(nèi)。這樣就可以得到一個(gè)非常尖銳的峰型，而且所形成的住效也極高。此外，由于凝膠的存在，溶質(zhì)在毛細(xì)管壁上的吸附也將得到一定的控制，可以進(jìn)一步的減少電滲流。該分離模式最大的缺點(diǎn)就在于柱制備較為困難，而且使用壽命較短。

3）毛細(xì)管等速電泳

該分離模式的分離原理也是基于樣品組分在電場作用下所形成的不同電泳淌度。使用該分離模式需要兩種還有不同電泳淌度離子的電解質(zhì)，將樣品組分放置于兩種電解質(zhì)的交界面上，就可以在電壓的作用下，實(shí)現(xiàn)樣品組分在兩種不同離子間的移動(dòng)分離。

微流控芯片是一種實(shí)驗(yàn)裝置，它屬于微機(jī)電加工技術(shù)應(yīng)用范疇。實(shí)際上，微流控芯片就是在硅、石英、玻璃或者高分子聚合物等介質(zhì)上，加工出的微管道、微反應(yīng)器、微小電極等能夠?qū)崿F(xiàn)某些功能的微小裝置。在具體應(yīng)用中，微流控芯片可以對(duì)生物或者化學(xué)成分進(jìn)行純化、反應(yīng)、萃取、分離等操作。微尺寸效應(yīng)是微流控芯片工作的理論基礎(chǔ)，微管道網(wǎng)絡(luò)是其應(yīng)用時(shí)的基本特征，微流體是其實(shí)際應(yīng)用過程的直接核心。芯片毛細(xì)管電泳就是基于微流控芯片平臺(tái)的可以對(duì)樣品中的多個(gè)目標(biāo)實(shí)施分離的一種技術(shù)，它的分離通道就是在硅、石英、玻璃或者高分子聚合物等介質(zhì)上所加工出來的微通道。相較于傳統(tǒng)的毛細(xì)管電泳技術(shù)而言，芯片毛細(xì)管電泳具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

1）散熱性好、可控性及分離效率高：微流控芯片的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到1.4W/m.k，具有非常好的散熱性，所以對(duì)于微流控芯片而言，不用過多的考慮因高壓所引起的熱量上升問題。此外，微流控芯片還可以控制進(jìn)樣過程，保證樣品在可控速度、可控距離的前提下進(jìn)行分離；

2）可以進(jìn)行高通量分離分析：實(shí)際應(yīng)用中還可以對(duì)微流控芯片的表面進(jìn)行更為高密度的陣列分離通道加工，以實(shí)現(xiàn)樣品高通量的分離分析；

3）有利于商業(yè)化進(jìn)程：微流控芯片可以在高聚物材料上進(jìn)行加工，并且能夠一次成型毛細(xì)管電泳芯片，這對(duì)于芯片的商業(yè)化發(fā)展非常有利。

下面簡要介紹一下芯片薄層電解池-毛細(xì)管電泳聯(lián)用裝置的設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)的基本思路

1）方案一

（1）選用玻璃作為芯片材料，玻璃的電滲行以及光學(xué)特性均較好，同時(shí)像玻璃這種透明介質(zhì)，可以對(duì)芯片內(nèi)液體的流動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察，而且相比較其他介質(zhì)而言，價(jià)格較低。使用光刻技術(shù)對(duì)玻璃進(jìn)行加工，制造玻璃芯片微通道。所謂光刻技術(shù)，就是利用光成像以及光敏膠的原理，在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)圖形化。

（2）對(duì)于薄層電解池而言，這里設(shè)計(jì)成三電極體系（工作電極、對(duì)電極、參比電極）。這三個(gè)電極的相互位置以及相互之間的連通通道一定要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)規(guī)劃，而且通道的阻抗系統(tǒng)一定要盡量的降低。為了實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)迅速完成樣品耗竭性電解，一定要將薄層區(qū)的厚度降至最低。

（3）芯片將薄層電解池以及毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣接口集成在一起，并將接口的位置進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)規(guī)劃，盡可能的減少了死體積的出現(xiàn)。

2）方案二

（1）使用高分子聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS 作為芯片的制作材料。PDMS 非常耐用，具有一定的化學(xué)惰性，不易被反應(yīng)，而且該聚合物無毒、生產(chǎn)成本低，PDMS 是一種固化型聚合物。我們使用光刻膠的方法制作一個(gè)模具，之后在模具上固化液態(tài)的高聚物，從而制作出PDMS 微芯片。這個(gè)過程可以稱之為模塑法制作微芯片。

（2）傳統(tǒng)電進(jìn)樣過程出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的電歧視情況，所以在本實(shí)驗(yàn)中所使用的進(jìn)樣方式是壓力進(jìn)樣。壓力進(jìn)樣的方式大致可以分為以下三種，即加壓進(jìn)樣，也可以稱為正壓進(jìn)樣；減壓進(jìn)樣，也可以稱為負(fù)壓進(jìn)樣；高差進(jìn)樣，也可以稱為虹吸進(jìn)樣。所謂正壓進(jìn)樣，就是在樣品溶液池的上空加以正向壓力，促使樣品進(jìn)入毛細(xì)管或者微流控通道；所謂負(fù)壓進(jìn)樣，就是在毛細(xì)管的另一端，通過抽吸來促使樣品進(jìn)入毛細(xì)管或者微流控通道，這種方式也可以看做是降低了樣品溶液池上方壓力；所謂高差進(jìn)樣，就是利用高度差來促使樣品進(jìn)入毛細(xì)管或者微流控通道，本實(shí)驗(yàn)中是將毛細(xì)管的一端先插入樣品池，然后將樣品池的位置升高，使得毛細(xì)管兩端出現(xiàn)一定的高度差。

2 芯片通道的形成

制作芯片通道所選用的芯片材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），其是一種很常用的熱塑性塑料。將微通道設(shè)計(jì)為T 字型，控制毛細(xì)管外徑在400μm。T 通道的四個(gè)臂與通道底面是分離的，之所以這樣設(shè)計(jì)是為了能夠順利的進(jìn)行脫模操作。同時(shí)在通道的左側(cè)壁以及下壁上，設(shè)計(jì)了四個(gè)小正方形結(jié)構(gòu)，用于壁與底片的固定。電解槽的左側(cè)還設(shè)計(jì)了一個(gè)參比電極槽，以滿足三電極體系的要求；同時(shí)還設(shè)計(jì)了一些應(yīng)用固定芯片的裝置，是為了能夠更好的將芯片進(jìn)行固定。反應(yīng)固化的過程可以簡述為：將兩根毛細(xì)管放置在模具0.5mm 孔處，同時(shí)將它們搭在與小圓柱體相同高度、相互交叉放置的一個(gè)搭片上，且對(duì)接兩根毛細(xì)管。按照50:1:1 的比例還配置乙烯基硅油、含氫硅油、催化劑三種溶液的混合液，并將這種混合液涂抹在T 通道的四壁上，將四壁與通道底面進(jìn)行粘合。之后放在80℃的烘箱中實(shí)現(xiàn)四壁與地板的反應(yīng)固化粘結(jié)。之后在模具中，先加入10g 乙烯基硅油與0.2g 含氫硅油攪拌均勻，再放入0.2g催化劑攪拌2min。脫模過程首先要做的就是抽真空操作，之后放置于80℃的烘箱中進(jìn)行反應(yīng)固化。這個(gè)過程大約需要3h，在固化之后，要先冷卻至室溫才能進(jìn)行脫模操作。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，使用PMMA 來制作芯片通道可以很好的進(jìn)行脫模操作，同時(shí)所制作的芯片性能也較好。

3 芯片電泳測試

1）基線測試

將芯片的緩沖液池以及兩個(gè)通道中均加入緩沖液。該實(shí)驗(yàn)所用緩沖液是20mmol·L-1，且PH 值為9.0 的硼砂緩沖溶液。對(duì)緩沖液池施加20KV 的高壓，并將緩沖液池的D 端可靠接地，就可以測量到一個(gè)波長為200nm，毛細(xì)管有效長度為50cm 的芯片基線。

2）進(jìn)樣測試

該測試所用樣品溶液的制作：將1.0×l 0-2mol·L-1槲皮素母液溶解在乙醇中，再用二測蒸餾水把所得到的混合液（槲皮素母液與乙醇混合）稀釋為1.0×10-3mol·L-1的槲皮素工作業(yè)。所使用的緩沖液是20mmol·L-1，且PH 值為9.0 的硼砂緩沖溶液。同樣對(duì)緩沖液池施加20KV 的高壓進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示不同時(shí)間段電流的值也不同，經(jīng)過分析可以知道，之所以電流會(huì)出現(xiàn)這些變化主要是由于樣品溶液中乙醇的存在而造成的，因此將樣品中的乙醇改為茶氨酸在進(jìn)行測試。

上面簡要介紹了一下設(shè)計(jì)原理、芯片的形成過程以及芯片電泳的測試方法。現(xiàn)在芯片薄層電解池-毛細(xì)管電泳聯(lián)用技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于樣品分離分解中，它的優(yōu)勢非常明顯。但該技術(shù)還存在著很多可以改進(jìn)的地方，在今后的工作中，筆者將繼續(xù)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行更為深入的研究，以期能夠進(jìn)一步的提高該技術(shù)的分離性能及適用性。

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