专利名称：一种夹流进样的毛细管电泳芯片及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种夹流进样方式的毛细管电泳芯片以及使用方法，该芯片可应用于化学和生物分析检测领域。
背景技术：
90年代以后迅速发展起来的毛细管电泳芯片技术是以微加工工艺为技术依托，以硅、玻璃、塑料(主要是有机玻璃)、陶瓷和硅橡胶为基体材料，借助毛细管电泳技术，将样品进样、反应、分离、检测等过程集成到一起的多功能化的高效、快速的微型实验室技术。由于毛细管电泳芯片具有体积小、分离效率高、分析用样品少、分析速度快、分析过程自动化等特点，已成为目前国际上研究的前沿和热点。迄今为止，毛细管电泳芯片技术己成功地用于一系列化学物质的分离，特别在生化领域，已成功的进行了DNA序列测定、多肽和蛋白质、氨基酸、单细胞和单分子等的分离检测，并可望发展成微全分析系统和芯片实验室的主流技术。
毛细管电泳芯片的工作过程通常包括两个阶段进样阶段和分离阶段。毛细管电泳芯片与普通毛细管电泳仪的一个明显的不同点就是进样方式。由于常规毛细管电泳中常用的压力、虹吸和电动进样法大多需要复杂的机械操作，与毛细管电泳芯片的微型化、集成化、自动化的目标难以相容，所以毛细管电泳芯片的进样不能简单地沿用常规毛细管电泳的进样方式。在毛细管电泳芯片上通常设置有与分离通道相连的、专门的进样微通道。迄今为止，主要有3种进样微通道结构，即“T形”、“十字交叉形”和“双T形”。“T形”结构，由于样品塞长度难于控制且产生进样歧视，在电泳芯片上应用较少；目前，在毛细管电泳芯片中使用的较多的是“十字交叉形”结构和“双T形”结构。“双T形”结构由于进样量大，所以灵敏度较高，但是由于样品条带本身较宽以及分子扩散作用，分离效率较差。“十字交叉形”结构由于分子扩散作用以及电场在十字交叉口处的侧向扩张性，导致进样阶段样品在进样通道中流经十字交叉口处时，出现样品向分离通道的扩张，从而大大影响了分离效率；为了克服上述问题，有人采用进样时在分离通道两端电极上施加电压，实行“收缩”进样[Jacobson，S.C.；Hergenrsder，R.Koutny，L.B.；Warmack，R.J.；and Ramsey，J.M.，″Effects of Column Geometry on the Performance of Microchip ElectrophoresisDevices″，Anal.Chem.66，1107(1994).]，但是这种进样方式要求进样时间长，影响分析速度，且进样条带为不规则锥形，若检测窗口稍偏离分离通道中线，即会得到不同检测效果；另外还有人采用“窄进样通道”模式[ZhangCX；Manz A.，″Narrow sample channel injectors for capillary electrophoresis onmicrochips″，Anal.Chem.73，2656(2001).]，但是这种方式牺牲了检测灵敏度，因此也有很大的局限。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用新型夹流进样模式的毛细管电泳芯片，该芯片可以提供规整形状(近乎矩形)的样品条带，提高电泳芯片的分离效率和检测灵敏度。同时，通过调整电压可以调节样品进样量，以适应不同分析的需求。该芯片易于集成和实现自动化，可用于构建微型全分析系统。
本发明解决技术问题的技术方案如下一种夹流进样的毛细管电泳芯片及其使用方法，包括进样通道和分离通道，所述进样通道与分离通道呈垂直“十字交叉”连通，进样通道两端分别与样品液池和废液池相连；分离通道两端分别与缓冲液池和废液池相连，其特征在于，还包括四条辅助夹流通道，每条辅助夹流通道的其中一端与“十字交叉”处相连通，另一端分别与缓冲液池相连。
作为本发明的进一步改进，所述辅助夹流通道分别位于分离通道和进样通道“十字交叉”分割形成的四个区域中。
本发明毛细管电泳芯片的使用方法，其特征在于进样时，在进样通道两端的样品液池和废液池之间施加进样电压，同时，在与第一辅助通道和第二辅助通道相连的第一缓冲液池和第二缓冲液池之间以及与第三辅助通道和第四辅助通道相连的第三缓冲液池和第四缓冲液池之间施加夹流电压；分离时，在分离通道两端的缓冲液池和废液池之间施加分离电压，同时在与第一辅助通道和第二辅助通道相连的第一缓冲液池和第三缓冲液池之间以及与第二辅助通道和第四辅助通道相连的第二缓冲液池和第四缓冲液池之间施加夹流电压。
本发明通过在芯片的进样通道和分离通道两侧加工有辅助夹流通道，进样时，除了进样通道加载电场外，进样通道两侧辅助通道同时也加载电场，使得“十字交叉”处进样通道两侧形成与进样通道近乎平行的电场，限制“十字交叉”处样品分子向分离通道的扩张。同时通过调节两侧电场相对于进样通道电场的强度可以改变进样通道与分离通道的“十字交叉”处进样条带的宽度，从而实现进样量的调整。分离时，除了分离通道加载分离电场外，分离通道两侧辅助通道也加载电场，使得“十字交叉”处分离通道两侧形成与分离通道中近乎平行的电场，保证样品分离条带的规整形状，限制“十字交叉”处进样通道中样品分子向分离通道的泄漏，避免检测时中存在较高的背景噪音。
本发明与目前毛细管电泳芯片常用的“十字交叉形”和“双T形”进样方式相比，在保证检测灵敏度的前提下，提高了电泳芯片的分离效率，同时该芯片还可以灵活调整进样量，以适应不同分析的需要。
图1为本发明毛细管电泳芯片结构示意图；图2为进样阶段时图1“十字交叉”区域15局部放大图；图3为分离阶段时图1“十字交叉”区域15局部放大图；图4为进样阶段时调整样品条带宽度为进样通道宽度三分之一的局部放大图；图5为本发明毛细管电泳芯片进样模式与常规毛细管电泳芯片进样模式样品条带浓度峰形比较图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式
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如图1所示，本发明夹流进样的毛细管电泳芯片及其使用方法，包括进样通道1和分离通道2，所述进样通道1与分离通道2呈垂直“十字交叉”连通，进样通道1两端分别与样品液池7和废液池8相连；分离通道2两端分别与缓冲液池9和废液池1O相连，还包括四条辅助夹流通道，分别为第一辅助通道3、第二辅助通道4、第三辅助通道5和第四辅助通道6，所述辅助夹流通道分别位于分离通道和进样通道“十字交叉”分割形成的四个区域中，每条辅助夹流通道的其中一端与“十字交叉”处相连通，另一端分别与第一缓冲液池11、第二缓冲液池12、第三缓冲液池13和第四缓冲液池14相连通。
图2为进样阶段时图1中“十字交叉”区域15局部放大图。通过基尔霍夫定律计算，确定样品液池7和废液池8之间、第一缓冲液池11和第二缓冲液池12之间以及第三缓冲液池13和缓冲液池第四14之间所加载的电压，使进样通道“十字交叉”区域上下两侧辅助通道中电流强度等于进样通道中电流强度，此时形成与进样通道几乎等宽的进样条带。
图3为分离阶段时图1中“十字交叉”区域局部放大图。此图中分离通道两端缓冲液池9和废液池10之间加载分离电压，同时通过基尔霍夫定律计算，确定第一缓冲液池11和第三缓冲液池13之间以及第二缓冲液池12和第四缓冲液池14之间所加载的电压，使分离通道“十字交叉”区域左右两侧辅助通道中电流强度等于分离通道中电流强度；由图可见，在分离通道中样品条带规整，无严重的扩散，且没有进样通道中样品向分离通道的泄漏。
图4为进样阶段时调整样品条带宽度为进样通道宽度三分之一的局部放大图。通过基尔霍夫定律计算，确定样品液池7和废液池8之间、第一缓冲液池11和第二缓冲液池12之间以及第三缓冲液池13和第四缓冲液池14之间所加载的电压，使进样通道1从样品液池7至十字交叉处这一段通道中的电流强度为其从十字交叉处至废液池8这一段通道中电流强度的三分之一。
图5为本发明毛细管电泳芯片进样模式与常规毛细管电泳芯片进样模式样品条带浓度峰形比较图。此图为常规毛细管电泳芯片“十字形收缩”进样、“双T形”进样与本发明毛细管电泳芯片进样三种模式在进样后，分离阶段时样品条带迁移至1.8毫米处，样品浓度峰形图的比较。图中A曲线为“十字形收缩”进样模式；B曲线为“双T形”进样模式；C曲线为本发明毛细管电泳芯片进样模式。由图5可见，本发明设计进样模式的样品条带峰的峰高与“双T形”进样模式相当，高于“十字形”；半峰宽与“十字形收缩”进样模式相当，小于“双T形”进样模式。说明本发明设计的毛细管电泳芯片进样模式灵敏度与双T形相当，大大优于“十字形收缩”模式；而分辨率与“十字形收缩”相当，但大大优于“双T形”。显而易见，本发明毛细管电泳芯片相对于目前常规的毛细管电泳进样方式在灵敏度和分辨率方面有明显改进。
权利要求
1.一种夹流进样的毛细管电泳芯片及其使用方法，包括进样通道(1)和分离通道(2)，所述进样通道(1)与分离通道(2)呈垂直“十字交叉”连通，进样通道(1)两端分别与样品液池(7)和废液池(8)相连；分离通道(2)两端分别与缓冲液池(9)和废液池(10)相连，其特征在于，还包括四条辅助夹流通道，分别为第一辅助通道(3)、第二辅助通道(4)、第三辅助通道(5)和第四辅助通道(6)，每条辅助夹流通道的其中一端与“十字交叉”处相连通，另一端分别与第一(11)、第二(12)、第三(13)和第四(14)缓冲液池相连。
2.根据权利要求1所述的毛细管电泳芯片，其特征在于，所述辅助夹流通道分别位于分离通道和进样通道“十字交叉”分割形成的四个区域中。
3.根据权利要求1或2所述的毛细管电泳芯片的使用方法，其特征在于进样时，在进样通道(1)两端的样品液池(7)和废液池(8)之间施加进样电压，同时，在与第一辅助通道(3)和第二辅助通道(4)相连的第一缓冲液池(11)和第二缓冲液池(12)之间以及与第三辅助通道(5)和第四辅助通道(6)相连的第三缓冲液池(13)和第四缓冲液池(14)之间施加夹流电压；分离时，在分离通道(2)两端的缓冲液池(9)和废液池(10)之间施加分离电压，同时在与第一辅助通道(3)和第二辅助通道(5)相连的第一缓冲液池(11)和第三缓冲液池(13)之间以及与第二辅助通道(4)和第四辅助通道(6)相连的第二缓冲液池(12)和第四缓冲液池(14)之间施加夹流电压。
全文摘要
本发明公开了一种夹流进样的毛细管电泳芯片以及其使用方法，该芯片通过在进样管道和分离管道两侧加工辅助夹流管道，利用夹流管道中形成的平行夹流电场，抑制常规毛细管电泳芯片“十字交叉形”和“双T形”进样方式中，进样管道和分离管道交汇处样品分子的扩张，提高了电泳芯片的分离效率和检测灵敏度，同时该芯片还可以通过调节夹流电场相对于进样管道中进样电场的强度，改变进样条带的宽度，实现进样量的调整，以适应不同分析的需要。本发明可应用于无机分子、有机分子、生物大分子、病毒和细胞等的快速、高灵敏度分离检测。
文档编号B01D57/02GK1715902SQ20051002768
公开日2006年1月4日 申请日期2005年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者李刚, 庄贵生, 冉瑞, 金庆辉, 赵建龙 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所