基於離子濃差極化技術的富集器件及其製備方法與流程

2023-05-24 10:53:41 7

本發明涉及化學檢測技術領域，尤其涉及一種基於離子濃差極化技術的富集器件及其製備方法。

背景技術：

微流控晶片具有樣品消耗少，易於實現自動化等優點，在樣品分離、檢測及分析過程中受到越來越多的關注。但是，在微流控晶片中檢測低濃度樣品仍是一個挑戰。富集方法主要有場放大樣品堆積，等速電泳，等電聚焦，膜過濾及離子濃差極化。其中，基於離子濃差極化現象的富集方法可以富集任何帶電樣品，例如蛋白質，DNA，螢光試劑及離子等，並且只需要簡單的緩衝溶液，具有很大的應用潛力。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

為了解決或者至少部分緩解上述技術問題，本發明提供了一種基於離子濃差極化技術的富集器件及其製備方法，實現了對不同帶電樣品的富集，結構簡單，樣品消耗少，易於實現自動化，過程簡單快速，不需要超淨間環境。

(二)技術方案

根據本發明的一個方面，提供了一種基於離子濃差極化技術的富集器件，包括：襯底，包括：富集通道，包括富集通道入口、富集通道流入段、富集通道出口、及富集通道流出段；緩衝通道，包括緩衝通道入口、緩衝通道流入段、緩衝通道出口、及緩衝通道流出段；以及離子交換膜固定槽，設於所述富集通道和緩衝通道之間；微流道密封層，設於所述襯底上方，用於密封各所述通道；在該微流道密封層上設有離子交換膜透過槽；離子交換膜，設於所述離子交換膜透過槽和所述離子交換膜固定槽中；以及，多個電極，分別設於所述富集通道入口、富集通道出口、緩衝通道入口及緩衝通道出口。

優選的，所述的襯底的材料為光敏樹脂，尼龍或ABS；所述微流道密封層的材質為軟固化的具有粘性的PDMS，厚度為0.1-2mm，該微流道密封層通過粘性固化與所述襯底表面連接。

優選的，所述離子交換膜固定槽形成於襯底上，寬度為0.5-2mm，高度為0.5-2mm。

優選的，所述微流道密封層的離子交換膜透過槽與所述襯底的離子交換膜固定槽位置對應，使所述離子交換膜可穿過所述離子交換膜透過槽固定在所述離子交換膜固定槽中。

優選的，所述富集通道及緩衝通道形成於所述襯底表面，其中，該富集通道位於所述離子交換膜一側，緩衝通道位於所述離子交換膜的另一側，所述富集通道及緩衝通道寬度為100-600μm，深度為100-600μm。

優選的，所述富集通道流入段和富集通道流出段之間角度，以及所述緩衝通道流入段和緩衝通道流出段之間角度均為90-160度。

優選的，所述的富集通道入口和富集通道流入段之間、所述富集通道出口和富集通道流出段之間、所述緩衝通道入口和緩衝通道流入段之間、及所述緩衝通道出口和緩衝通道流出段之間分別具有一連接段，該連接段的形狀為圓形、直徑為4-10mm，深度為100-600μm。

優選的，所述多個電極的材質為銅或不鏽鋼，形狀為管狀，管外徑為0.5-2mm。

根據本發明的另一個方面，提供了一種基於離子濃差極化技術的富集器件的製備方法，包括：S1、採用3D列印技術和微流控技術形成包括富集通道、緩衝通道及離子交換膜固定槽的襯底；S2、採用軟固化粘性材料在所述襯底上形成微流道密封層，並在微流道密封層上採用切割方法形成離子交換膜透過槽；S3、將離子交換膜穿過離子交換膜透過槽固定在離子交換膜固定槽中；S4、將多個電極分別插設於所述富集通道及緩衝通道的進、出口中。

優選的，所述步驟S2包括：S21、將軟固化粘性材料在一定溫度環境中固化一段時間，形成微流道密封層；S22、將該軟固化粘性材料與所述襯底的包含有通道的表面與接觸，在該溫度環境的條件下完全固化；

S23、將離子交換膜固定槽上方的軟固化粘性材料採用切割方法去除，形成離子交換膜透過槽。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明基於離子濃差極化技術的富集器件及其製備方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)利用微流道密封層來實現微流道的密封，結合不同種類的離子交換膜，可以實現對不同帶電樣品的富集。

(2)本發明通過離子濃差極化技術可以在微流控晶片上實現帶電樣品的富集，可以結合螢光原位檢測技術，實現痕量物質的檢測。

(3)採用3D列印技術及微流道技術製作微流道層，樣品消耗少，易於實現自動化，過程簡單快速，不需要超淨間環境，具有巨大的應用潛力。

附圖說明

圖1是依據本發明實施例基於離子濃差極化技術的富集器件的分解結構示意圖。

圖2是依據本發明實施例基於離子濃差極化技術的富集器件的整體結構示意圖。

圖3是依據本發明實施例基於離子濃差極化技術的富集器件的俯視結構示意圖。

圖4是依據本發明實施例基於離子濃差極化技術的富集器件的側視結構示意圖。

【本發明主要元件符號說明】

1-襯底；

11-富集通道；

111-富集通道入口；

112-富集通道流入段；

113-富集通道出口；

114-富集通道流出段；

12-緩衝通道；

121-緩衝通道入口；

122-緩衝通道流入段；

123-緩衝通道出口；

124-緩衝通道流出段；

13-離子交換膜固定槽；

2-微流道密封層；

21-離子交換膜透過槽；

3-離子交換膜；

4-電極；

41-富集通道入口電極；

42-富集通道出口電極；

43-緩衝通道入口電極；

44-緩衝通道出口電極。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明的保護範圍。

本發明提供了一種基於離子濃差極化技術的富集器件。圖1-4為依據本發明實施例基於離子濃差極化技術的富集器件的結構示意圖。請參照圖1-4，本實施例基於離子濃差極化技術的富集器件，包括：

襯底1，包括：

富集通道11，包括富集通道入口111、富集通道流入段112、富集通道出口113、及富集通道流出段114；

緩衝通道12，包括緩衝通道入口121、緩衝通道流入段122、緩衝通道出口123、及緩衝通道流出段124；以及

離子交換膜固定槽13，設於所述富集通道和緩衝通道之間；

微流道密封層2，設於所述襯底上方，用於密封各所述通道；在該微流道密封層上設有離子交換膜透過槽21；

離子交換膜3，設於所述離子交換膜透過槽和所述離子交換膜固定槽中；以及，

多個電極4，分別設於所述富集通道入口、富集通道出口、緩衝通道入口及緩衝通道出口。

其中，所述富集通道入口、富集通道出口、富集通道流入段、富集通道流出段、緩衝通道流入段、緩衝通道流出段、緩衝通道入口、緩衝通道出口形成於所述襯底表面，寬度為100-600μm，深度為100-600μm。

所述富集通道流入段和富集通道流出段之間角度優選為90-160度，同樣的，緩衝通道流入段和緩衝通道流出段之間角度優選為90-160度。

所述的富集通道入口和富集通道流入段之間、所述富集通道出口和富集通道流出段之間、所述緩衝通道入口和緩衝通道流入段之間、及所述緩衝通道出口和緩衝通道流出段之間分別具有一連接段，該連接段的形狀優選為圓形、直徑優選為4-10mm，深度優選為100-600μm。

所述多個電極4分別插設於所述富集通道入口、富集通道出口、緩衝通道入口、及緩衝通道出口的固定槽內形成富集通道入口電極41、富集通道出口電極42、緩衝通道入口電極43、及緩衝通道出口電極44，該多個電極的材質可為銅、不鏽鋼等導電材料，形狀可為管狀，管外徑優選為0.5-2mm。

所述富集通道和緩衝通道為通過3D列印技術和微流控技術形成的微流道，所述微流道密封層覆蓋在微襯底上方，起密封微流道作用。該微流道密封層的材質可為軟固化的具有粘性的PDMS，厚度為0.1-2mm。通過粘性固化與所述襯底表面連接。

所述離子交換膜固定槽形成於襯底上，寬度為0.5-2mm，高度為0.5-2mm。

所述離子交換膜置於離子交換膜固定槽中，可為陽離子交換膜或陰離子交換膜。

所述微流道密封層的離子交換膜透過槽與所述襯底的離子交換膜固定槽位置對應，使所述離子交換膜可穿過所述離子交換膜透過槽固定在所述離子交換膜固定槽中。

所述富集通道位於所述離子交換膜一側，所述緩衝通道位於所述離子交換膜的另一側。

所述的襯底的材料可為光敏樹脂，尼龍，ABS等可3D列印的不導電材料。

本發明提供的基於離子濃差極化的富集器件，不僅可用於富集帶負電荷樣品，而且可用於富集帶正電荷樣品。具體的，

在富集帶負電荷樣品時，離子交換膜為陽離子交換膜。將待富集樣品同時注入到富集通道和緩衝通道入口，在所述離子交換膜一側的富集通道入口電極和富集通道出口電極上分別施加正電壓V+和V++(其中，V+<V++)，在離子交換膜的另一側的緩衝通道入口電極、緩衝通道出口電極上接地，選取合適的電勢差，在富集通道所在的富集區靠近離子交換膜的區域的陽離子通過陽離子交換膜進入緩衝通道所在的緩衝區，而陰離子由於受到陽離子交換膜的排斥，向V++方向移動，在富集區靠近離子交換膜的區域產生耗盡區。由於富集通道入口電極和富集通道出口電極之間存在電勢差，該電勢差會誘發由V++指向V+的電滲流。通過控制該電勢差，可以平衡陰離子受到的排斥力，從而使該部分陰離子穩定在耗盡區邊緣。電滲流源源不斷地將陰、陽離子輸運到耗盡區，但是耗盡區中的陽離子交換膜會阻止陰離子的通過。因此，陰離子會在耗盡區邊界處不斷富集。

在富集帶正電荷樣品時，離子交換膜為陰離子交換膜。其工作模式與上面所述的陰離子富集方式類似，此處不再贅述。

另外，本發明還提供了一種基於離子濃差極化的富集器件的製備方法，包括：

S1、採用3D列印技術和微流控技術形成包括富集通道、緩衝通道及離子交換膜固定槽的襯底；

S2、採用軟固化粘性材料在所述襯底上形成微流道密封層；並在微流道密封層上形成離子交換膜透過槽；

S3、將離子交換膜穿過離子交換膜透過槽固定在離子交換膜固定槽中；

S4、將多個電極分別插設於所述富集通道及緩衝通道的進、出口中。

其中，所述步驟S2包括：

S21、將軟固化粘性材料在一定溫度環境中固化一段時間，形成微流道密封層；

S22、將該軟固化粘性材料與所述襯底的包含有通道的表面與接觸，在該溫度環境的條件下完全固化。

其中，該固化溫度優選為70-100℃，固化時間優選為8-20分鐘。

S23、將離子交換膜固定槽上方的軟固化粘性材料去除，形成離子交換膜透過槽。

至此，已經結合附圖對本發明多個實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明基於離子濃差極化的富集器件及其製備方法有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，並未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義並不僅限於實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

所述電極的形狀可為不限於管狀，還可以為片狀等，均不影響本發明的實現。

綜上所述，本發明設計了一種新型的基於離子濃差極化富集器件及其製備方法，利用微流道密封層來實現微流道的密封，結合不同種類的離子交換膜，可以實現對不同帶電樣品的富集；採用3D列印技術及微流道技術製作微流道層，樣品消耗少，易於實現自動化，過程簡單快速，不需要超淨間環境，具有巨大的應用潛力。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。