液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片及其製備方法

2023-09-23 11:03:35

專利名稱：液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及的領域為微流控分析晶片，特別是涉及一種集成有支持液膜萃取反萃取試樣預處理單元的毛細管電泳微流控晶片及其製備方法。
背景技術：
微型全分析系統以分析化學為基礎，以微機電加工技術為依託，以微通道網絡為結構特徵，把試樣的採集、預處理、分離、反應、檢測等功能單元集成在幾到幾十平方釐米麵積的晶片內，通過試樣和試劑的流動，高效、快速地完成待測定組分的分離和分析。微全分析系統的核心為微流控晶片。微流控晶片一般由上下兩層刻有二維通道網絡的單晶矽、石英、玻璃、高分子聚合物片所組成。微通道寬度和深度一般在微米數量級。毛細管電泳晶片是目前研究報導最多的微流控分析晶片，多數毛細管電泳晶片不包括試樣於預處理單元，不能直接用於複雜試樣的分離分析。
液液萃取是一種常用的試樣預處理方法。它藉助於「相似相溶」原理，通過控制試樣pH等實驗條件，可以將大體積試樣水溶液中的微量疏水性待測化合物萃取到小體積的與水不互溶的有機溶劑中，使待測化合物與幹擾化合物初步分離。如果再用另一有利於待測化合物溶解的水溶液將已經轉移到有機相的待測化合物重新萃取回水相，該過程被稱作反萃取。經過萃取和反萃取後，待測化合物可以大幅度地得到濃縮，並且與共存的幹擾化合物分離。當萃取和反萃取作為氣相色譜、液相色譜、毛細管電泳的在線試樣預處理手段時，常在一個流通式萃取池中動態進行用一片被有機溶劑浸潤的多孔膜作為間隔，試樣溶液和反萃取液分別在膜兩側的溝槽中流動，通過擴散和對流作用，待測化合物從試樣溶液被萃取到支持於多孔膜上的有機相中，再被膜另一側的反萃取液(水相)所反萃取。調節試樣溶液的酸度、離子強度、流速和反萃取液的種類、流速等實驗條件，可以調節富集倍率。

發明內容
本發明將萃取反萃取試樣預處理單元集成於微流控晶片之上，與毛細管電泳分離分析單元在線耦聯，形成一個具有試樣預處理功能的分析系統，提高晶片毛細管電泳分離分析複雜試樣中低濃度待測化合物的能力。
本發明涉及的集成化支持液膜萃取反萃取毛細管電泳聯用晶片由上、中、下三層玻璃及夾在中、下層玻璃之間的高聚物微孔膜封合而成的四層三維通道結構。上層玻璃、中層玻璃及刻蝕在上層玻璃下表面的毛細管電泳通道網絡及電泳通道的儲液池組成毛細管電泳分離單元；中層玻璃下表面的反萃取液通道、下層玻璃上表面的試樣通道、與夾它們之間的高聚物微孔膜、試樣和反萃取液的進出口構成萃取反萃取單元；中層玻璃為毛細管電泳分離單元和萃取反萃取單元所共用，通過貫通中、上層玻璃的縱向的分流式接口使兩分析單元耦合為一個完整的三維通道結構，構成本發明的液液萃取毛細管電泳聯用晶片。
在上層玻璃的下表面、中層玻璃的下表面、及下層玻璃的上表面分別刻蝕有十字形電泳通道、「[」形反萃取液通道和「]」形試樣通道。上層玻璃、中層玻璃及刻蝕在上層玻璃下表面的毛細管電泳通道、與電泳通道相連的儲液池組成毛細管電泳分離單元，用高溫鍵合法封合；中層玻璃下表面的反萃取液通道、下層玻璃上表面的試樣通道、與夾它們之間的高聚物微孔膜、試樣和反萃取液的進出口構成萃取反萃取單元。中層玻璃為毛細管電泳分離單元和萃取反萃取單元所共用，通過貫通中、上層玻璃的縱向小孔作為兩分析單元的流通式接口，連接上部毛細管電泳進樣通道的進口和下部的反萃取通道出口，使兩個分析單元耦聯耦合為一個三維通道結構。中層玻璃、下層玻璃、高聚物微孔膜所構成具有「三明治」結構的萃取反萃取單元，與上、中層的電泳單元對準後，用膠粘劑封合，構成本發明的液液萃取毛細管電泳聯用晶片。這樣，通過四層結構的設計，使不同功能的分析單元分布在一個三維通道網絡上；通過分步刻蝕、分步鍵合的加工工藝，把用不同材質的基片組成為一個具有試樣預處理功能的支持液膜萃取反萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片。
本發明的高聚物微孔膜為四氟乙烯微孔膜，厚度範圍為5微米～100微米，孔徑範圍為1微米～10微米。
毛細管電泳通道的寬度和深度範圍為5微米～200微米，深度範圍為1微米～100微米；萃取通道和反萃取通道寬度範圍為10微米～5000微米，深度範圍為1微米～500微米。
本發明所述的液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片封接方法，其步驟是將加工有電泳通道網絡及儲液池的上層玻璃與加工有反萃取通道的中層玻璃位置對準後，放在程序升溫高溫爐中高溫鍵合，組成毛細管電泳單元；毛細管電泳單元封合後，在與中層玻璃的反萃取通道進出口、下層玻璃的試樣通道進出口對應的位置上鑽貫通上、中層玻璃的小孔，分別用作反萃取溶液和試樣溶液的引進/出孔，其中連接中層玻璃下表面反萃取通道出口和上層玻璃下表面毛細管電泳進樣通道進口的小孔即為耦聯萃取單元和電泳單元的流通式接口；將中層玻璃、高聚物微孔膜、下層玻璃的位置對準，使萃取通道和反萃取通道的中央直線部分在膜的兩側上下重合後固定；將新配置的尚未固化的粘接劑施加於中下層玻璃之間的縫隙處，依靠毛細作用，膠粘劑擴散並充滿中、下層玻璃片間的所有縫隙直到與四氟乙烯微孔膜邊緣接觸，放置使粘接劑固化，完成液液萃取單元的封接與整塊集成化晶片的合攏。
本發明所的晶片採用重力驅動試樣溶液和反萃取溶液，以浸潤於聚四富氟乙烯微孔膜上的丁醇為支持液膜，實施動態萃取與反萃取操作；採用多路高壓電源驅動晶片毛細管電泳分離；以雷射誘導螢光檢測。利用該集成化支持液膜萃取反萃取毛細管電泳晶片進行螢光素鈉和丁基羅丹明B混合溶液的預分離富集和電泳分離分析。試驗表明，集成了支持液膜萃取反萃取系統後，該晶片測得模型待測化合物螢光素鈉的信號提高了7倍，而模型幹擾物丁基羅丹明B的信號降低了4倍，充分顯示了它的全分析功能。
本發明提出的製備集成化多層結構晶片的方法具有加工工藝簡單易行，無須潔淨實驗室的特點；所製備的疊層式集成化支持液膜萃取反萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片具有體積小，成本低，集試樣預處理功能和毛細管電泳分離分析功能於一體的優點。


圖1液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片的結構分解透視圖。
圖2液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片的俯視3液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片在圖2a-b位置的剖視圖。
圖1-3中。各數碼標誌分別為1，上層玻璃片；2，中層玻璃片；3，下層玻璃片；4，四氟乙烯微孔膜；5，毛細管電泳通道網絡；6，反萃取液通道；7，試樣通道；8，緩衝液池；9，濃縮樣廢液池；10，緩衝廢液池；11，流通式接口；12，試樣溶液入口；13，反萃取液的入口；14，試樣溶液出口；15，向微孔膜滴加有機溶劑的孔；16，微孔膜上試樣溶液流入孔、17，微孔膜上試樣溶液流出孔；18，膠粘劑層。
圖4是目標化合物螢光素鈉(FLN)和模型幹擾物丁基羅丹明B(BRB)混合溶液的電泳記錄圖。其中左，混合溶液在電泳分離前經過在線萃取反萃取預處理；右，混合溶液未經萃取反萃取預處理直接電泳分離。
具體實施例方式
以下將詳細描述根據本發明的優選實施例。
本集成化支持液膜萃取反萃取-毛細管電泳晶片由三片玻璃和一層聚四氟乙烯微孔膜所組成的四層結構(見圖1)。在上層玻璃片1(25×60mm)上刻蝕寬50μm、深18μm的十字形毛細管電泳通道網絡5，進樣通道長10mm，分離通道總長40mm，有效分離長度35mm，在中層玻璃片2(25×60mm)的下表面刻蝕寬640μm、深65μm的「[」型反萃取液通道6，在下層玻璃片3(15×23mm)的上表面刻蝕寬640μm、深65μm的「]」型試樣通道7。反萃取液通道6、試樣通道7分別位於微孔膜4的上、下方，反萃取液通道6和試樣通道7中，擬重疊的中央通道長度均為15mm。然後，在上層玻璃電泳通道5的其中三個端頭處分別鑽直徑為1.2mm的孔，作為緩衝液池8、濃縮樣廢液池9和緩衝廢液池10，(8-10號只貫穿上層玻璃)再與中層玻璃片(無通道的平面向上)對準，使反萃取通道的出口處於電泳進樣(反萃取後的濃縮樣)通道入口的正下方，在程序升溫高溫爐中高溫鍵合組成毛細管電泳單元。封合後，在圖1所示的12試樣入口、13反萃液入口、14試樣出口、15向支持膜滴加有機溶劑的孔位置用直徑1.2mm鑽頭鑽孔，在11位置用直徑0.3mm鑽頭鑽垂直孔，該孔連結毛細管電泳進樣通道的入口和反萃液通道的出口，作為電泳單元和萃取單元的流通式接口，11-15號孔都貫穿電泳單元的兩層玻璃。取一片7×19mm的四氟乙烯微孔膜4，孔徑1.0微米，膜厚60微米，孔隙率為70-80％，在其上與試樣入口12與出口14對應的位置各鑽1.2mm的兩個孔16和17，將電泳單元中層玻璃片2上的反萃取通道6向下，下層玻璃片3的試樣通道7向上，四氟乙烯微孔膜4夾在中下兩層玻璃中間，並使膜兩側的反萃取通道6與試樣通道7的中央部分相互重疊，將剛剛調製好的半流體狀膠粘劑施加在中下層玻璃片之間的縫隙處，依靠毛細作用，膠粘劑擴散並充滿中、下層玻璃片間的所有縫隙直到與四氟乙烯微孔膜邊緣接觸。固化後，膠粘劑層18將中、下層玻璃片與四氟乙烯微孔膜封合在一起，並與上層玻璃一起形成四層結構的支持液膜萃取反萃取-毛細管電泳晶片。
圖1是按本發明優選實施例方法加工的集成化支持液萃取反液萃取-毛細管電泳聯用晶片的結構分解透視圖，圖2是該晶片的俯視圖，圖3是晶片在圖2a-b位置的剖視圖。
圖4是採用優選實施例方法加工的集成化支持液萃取反液萃取-毛細管電泳聯用晶片進行的在線支持液膜萃取反萃取試樣預處理-毛細管電泳分離分析模型待測化合物螢光素鈉和模型幹擾物丁基羅丹明B混合溶液的電泳記錄圖。兩種化合物的濃度相同，若不經支持液膜萃取反萃取的試樣預處理過程，螢光素鈉和丁基羅丹明B經電泳分離後，峰高近似相等(見圖4右)。而經過在集成化晶片上的支持液膜萃取反萃取試樣預處理後，因萃取反萃取條件有利於酸性模型待測化合物螢光素鈉的從試樣溶液向反萃取液的轉移而使其濃縮於反萃取液，結果峰高增加了7倍；相反，由於萃取反萃取條件不利於模型幹擾物丁基羅丹明B的從試樣溶液向反萃取液的轉移，結果該化合物在反萃取液中的濃度低於其在試樣溶液中的原始濃度，峰高比不經萃取反萃取的情況下降低了4倍(見圖4左)。該實驗充分顯示了本發明所加工的集成化支持液萃取反液萃取-毛細管電泳聯用晶片的所具備的試樣預分離富集功能。
權利要求
1.一種液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片，其特徵在於由上、中、下三層玻璃及夾在中、下層玻璃之間的高聚物微孔膜封合而成的四層三維通道結構，上層玻璃(1)、中層玻璃(2)及刻蝕在上層玻璃下表面的毛細管電泳通道網絡(5)及電泳通道的儲液池組成毛細管電泳分離單元；中層玻璃(2)下表面的反萃取液通道(6)、下層玻璃(3)上表面的試樣通道(7)、與夾它們之間的高聚物微孔膜(4)、試樣和反萃取液的進出口構成萃取反萃取單元；中層玻璃(2)為毛細管電泳分離單元和萃取反萃取單元所共用，通過貫通中、上層玻璃的縱向的分流式接口(11)使兩分析單元耦合為一個完整的三維通道結構，構成本發明的液液萃取毛細管電泳聯用晶片。
2.根據權利要求1所述的液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片，其特徵在於電泳通道網絡(5)是由進樣通道和分離通道所構成的十字構型通道，緩衝液池(8)和緩衝廢液池(10)與十字構型中的分離通道相連通，濃縮試樣液池(11)和濃縮試樣廢液池(9)與十字構型中的進樣通道相連通，其中濃縮試樣液池(11)同時作為分流式接口，連結毛細管電泳進樣通道的進口和反萃液通道(6)的出口。
3.根據權利要求1所述的液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片，其特徵在於在中層玻璃片下表面上有一定構型的反萃取液通道(6)，該反萃取液通道的兩端與反萃取溶液進口(13)和分流式接口(11)相連通；下層玻璃片(3)上表面有構型與反萃取液通道(6)鏡面對稱的試樣通道(7)，反萃取液通道(6)和試樣通道(7)分別位於高聚物微孔膜(4)的上、下方，試樣通道(7)的兩端經高聚物微孔膜(4)上的引導孔(16)和(17)，分別與試樣溶液進口(12)、試樣溶液出口(14)相連通；再加上向高聚物微孔膜滴加有機溶劑的孔(15)，構成萃取反萃取單元。
4.根據權利要求3所述的液液萃取毛細管電泳聯用晶片，其特徵在於反萃取液通道(6)的構型為「[」形，試樣通道(7)的構型為「]」，兩者鏡面對稱且中央的直線部分通道在高聚物微孔膜(4)的兩側上下重合。
5.根據權利要求1所述的液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片，其特徵在於高聚物微孔膜(4)為四氟乙烯微孔膜，厚度範圍為5微米～100微米，孔徑範圍為1微米～10微米。
6.根據權利要求1所述的液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片，其特徵在於毛細管電泳通道的寬度為5微米～200微米，深度範圍為1微米～100微米；萃取通道和反萃取通道寬度範圍為10微米～5000微米，深度範圍為1微米～500微米。
7.根據權利要求1的液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片，其特徵在於也可以用石英片代替上、中、下三層玻璃片。
8.權利要求1所述的液液萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片封接方法，其步驟是(1)將加工有電泳通道網絡及鑽有儲液池的上層玻璃與加工有反萃取通道的中層玻璃位置對準並固定，放在程序升溫高溫爐中高溫封合，形成毛細管電泳單元；(2)毛細管電泳單元封合後，在與中層玻璃的反萃取通道進/出口、下層玻璃的試樣通道進/出口對應的位置上鑽貫通上、中層玻璃的小孔，分別用作引導反萃取溶液和試樣溶液的進/出孔，其中連接中層玻璃下表面反萃取通道出口和上層玻璃下表面毛細管電泳進樣通道入口的小孔為耦聯萃取單元和電泳單元的流通式接口；(3)將毛細管電泳單元的中層玻璃、高聚物微孔膜、下層玻璃的位置對準，使萃取通道和反萃取通道在膜的兩側，並使兩通道的直線部分重合後固定；(4)將新配置的尚未固化的粘接劑施加於中、下層玻璃之間的縫隙處，依靠毛細作用，膠粘劑擴散並充滿中、下層玻璃片間的所有縫隙直到與四氟乙烯微孔膜邊緣接觸，放置使粘接劑固化，完成液液萃取單元的封接與整塊集成化晶片的合攏。
全文摘要
本發明涉及一種集成化液液萃取－毛細管電泳聯用晶片。該方法的特徵是，晶片由上、中、下三層玻璃及夾在中下層玻璃之間的高聚物微孔膜所構成。通過分步刻蝕、分步鍵合的加工工藝，把由中、下層玻璃和高聚物膜組成的「三明治」式支持液膜萃取反萃取單元，和由上、中玻璃組成的電泳分離單元構建到該四層結構的晶片之上。採用縱向的分流式接口，將處於不同層面上的分析單元耦聯成一個三維通道網絡，形成一個具有萃取反萃取試樣預處理功能的集成化毛細管電泳晶片。本發明提出的製備集成化多層結構晶片的方法具有加工工藝簡單易行，無須潔淨實驗室的特點；所製備的疊層式集成化支持液膜萃取反萃取毛細管電泳聯用微流控分析晶片具有體積小，成本低，集試樣預處理功能和毛細管電泳分離分析功能於一體的優點。
文檔編號G01N27/453GK1804633SQ20061004911
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月17日 優先權日2006年1月17日
發明者陳恆武, 蔡增軒 申請人:浙江大學