专利名称：微分析芯片上的微液液萃取方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的领域为微流控芯片分析，特别是涉及一种在微分析芯片上进行的微液液萃取方法及其装置。
背景技术：
微流控芯片分析以分析化学和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，把试样的采集、预处理、分离、反应、检测等部分集成在几平方厘米的面积内，从而高效、快速地完成试样的分离、分析及检测。通常，微流控芯片由上下两层或多层芯片构成，芯片的材料为单晶硅、或石英、或玻璃、或高分子聚合物等。芯片的面积约为几平方厘米，微通道宽度和深度为微米级。
本发明涉及的领域是有关微流控芯片上的液液萃取技术。
液液萃取技术是一种应用广泛的试样预处理技术，在分析化学中占有重要地位。传统经典的液液萃取操作步骤繁琐、费时，工作强度大，试样试剂用量大。基于微流控芯片的液液萃取技术的研究是目前微流控芯片分析领域内的重要研究方向之一。与传统液液萃取操作相比，萃取系统微型化所带来的优势包括显著降低试剂与试剂的消耗(仅为传统系统的万分之一)；分析速度快；实现操作自动化，有利于实现分析系统的集成化等。目前，在文献发表的基于微流控芯片的萃取系统中，多数采用无膜多相层流体系(M.Tokeshi，T.Minagawa，K.Uchiyama，A.Hibara，K.Sato，H.Hisamoto and T.Kitamori，Anal.Chem.，74，1565-1571(2002))。即利用在微通道内显著的层流效应，在微通道内形成稳定连续的水相和有机相并行液流，水相中待测物依靠分子扩散作用，跨越两相界面进入有机相，完成液液萃取的操作。此类方法的特点是操作较为简便，但因其建立于有机相和水相的连续流动基础之上，两相相比不易超过10(水相/有机相)，因而萃取的浓集倍率不高，难以超过100倍。
在常规液液萃取体系，采用停流萃取的操作模式可获得数百倍的萃取浓集倍率，采用液滴萃取的模式更有达到上千倍浓集的报道(W.Liu and H.K.Lee，Anal.Chem，72，4462-4467(2000))(H.Liu and P.K.Dasgupta，Anal.Chem.，68，1817-1821(1996))但上述两种模式均未应用于微流控芯片分析领域。
发明内容
本发明涉及一种在微分析芯片上进行的微液液萃取方法及其装置。其目的是在萃取所需试剂和试样量极少的情况下，在微小体积的微分析芯片微通道内实现高浓集倍率的萃取。
本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法，(A)微芯片的微通道内的萃取体系由相互间不完全相溶的至少两相液体构成；(B)在萃取开始，在进行萃取时，微通道内液体存在至少两类液相以一定流速流动的流动液相和停留在通道内一定位置的固定液相；(C)两类液相具有相互间不完全相溶的特性；(D)萃取进行时，保持流动液相的流动状态，固定液相的停留状态；(E)利用萃取物由流动液相穿过两相接触界面向固定液相的净扩散效应，微尺度下显著的流动液相对固定液相本身的溶解效应，实现萃取物在固定液相和流动液相之间的萃取，和在固定液相中的高倍数浓集，和萃取物试样带在固定液相中的聚焦；(F)萃取或者浓集后，固定液相中的萃取物，采用原位检测或者将其引出检测的方法进行分析。
根据本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法，萃取的过程中，主要利用两种效应萃取物由流动液相穿过两相接触界面向固定液相的净扩散效应，微尺度下显著的流动液相对固定液相本身的溶解效应，实现萃取物在固定液相和流动液相之间的萃取，和在固定液相中的高倍数浓集，和萃取物试样带在固定液相中的聚焦。两相间的传质主要依靠分子扩散效应进行，流动液相对固定液相的溶解效应能使固定液相的体积减小，而大部分萃取物仍保留于固定液相中，产生类似溶剂蒸干的效果，由此可使萃取物在固定液相获得高倍率浓集，直至最后达到固定液相对萃取物溶解的饱和点，继而，使其析出萃取物固体。
根据本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法，萃取或者浓集后，固定液相中的萃取物，采用原位检测或者将其引出检测的方法进行分析。采用原位检测时，可采用荧光检测、或光度检测、或热透镜检测方法、或电化学检测方法、或化学发光检测方法，检测区域面积越小，检测区域靠近固定液相中萃取物的高浓度区越近，获得的检测灵敏度越高。
根据本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法，产生固定液相的方法有三类模式。一种模式是在微通道内加工微结构或进行表面处理，将所需固定的液体引入微通道，有一定体积的该液体被截留在微结构内，不随液流流动而成为固定液相液滴。第二种模式是在微通道内加工微结构或进行表面处理，将所需固定的液体引入微通道，通过使该液体停流的方法在微通道内形成固定液相，并依靠与流动液相的相互作用，形成重现的相间界面。第三种模式是在微通道内加工或外加能进行两相间分子交换的相间隔膜，间隔流动液相和固定液相，将所需固定的液体引入微通道，通过停流或使其以很低的流速流动的方法在微通道内形成固定液相或近似固定液相。
根据本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法，采用第二和第三种萃取模式时，利用与扩散效应作用相反的流动液相对固定液相的溶解效应，实现固定液相中的萃取物试样带被局限或者聚焦于固定液相中的某一特定区域的目的，从而可提高萃取的浓集倍率。因此，在固定液相和流动液相两相不完全混溶的条件下，选择对固定液相溶解能力强的流动液相，有利于提高固定液相中对萃取物的聚焦作用。
根据本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法的装置，采用第一类萃取模式时，微通道上的微结构具有相对凸出通道的，或者凹入通道的，或者在通道中间的三类构型。微结构的设计目标是在微结构中，可形成体积和初始相界面位置均可重现的固定液相液滴。其中，在微结构的设计中，在两相界面处采用缩口结构，有利于形成稳定重现的相间界面。凹入通道的构型可以正方形，长方形，圆形，三角形，或者其它多边形为基础结构进行设计。在微通道内既可以加工不止一种构型的微结构，进行条件实验或满足不同的实验需要；也可以加工同一结构的不止一个微结构，即形成微结构的阵列，可进行较大量试样的萃取。
根据本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法的装置，采用第二类萃取模式时，芯片采用流动液相和固定液相液流的交叉型或者汇流型通道构型，通过使需要固定的液体停止流动的方法，产生固定液相。
根据本发明的微分析芯片上的微液液萃取方法的装置，采用第三类萃取模式时，相间隔膜的构型为片形或者管形结构。前者的典型结构为三明治型结构，后者的典型结构为套管型结构。
本发明的主要优点在于试剂和试样用量极少的条件下(试样用量在微升级)，在微分析芯片上实现很高浓集倍率的萃取，萃取浓集倍率可由数十倍，至数百、数千，甚至数万以上，取决于可检测的最小体积极限。
本发明的另一个优点在于，微分析芯片萃取系统通道构型和芯片结构均较为简单，容易加工，容易操作。
本发明可广泛应用于微流控芯片分析领域。
图1.是根据本发明的一个优选实施例1的俯视图。
图2.是根据本发明又一个优选实施例2的俯视图。
图3.是根据本发明再一个优选实施例3的俯视图。
图4.是根据本发明再一个优选实施例4的俯视图。
图5.是根据本发明再一个优选实施例5的俯视图。
图6.是根据本发明再一个优选实施例6的俯视图。
图7.是根据本发明再一个优选实施例7的俯视图。
图8.是根据本发明再一个优选实施例8的俯视图。
图9.是根据本发明再一个优选实施例9的侧视图。
图10.是根据本发明再一个优选实施例10的侧视图。
图11.是加工有根据本发明优选实施例2微结构的用于己醇-丁基罗丹明B-水萃取分析的微流控芯片的整体结构图。
图12.显示采用根据本发明的萃取方法，利用加工有根据本发明优选实施例2微结构的微芯片分析系统，对丁基罗丹明B水溶液进行萃取分析的结果记录图。
具体实施例方式
参照附图，以下将详细描述根据本发明的优选实施例。
实施例1参照图1.是根据本发明的一个优选实施例1的俯视图。芯片1通道构型为Y形结构。流动液相2、通道4与固定液相3、通道5呈现交叉汇流通道构型，在流动液相通道4、侧壁加工截留固定液相3的微结构6。固定液相3液流由固定液相通道5引入，流动液相2由流动液相通道4引入。萃取时，在微结构6内截留一定体积的固定液相3，或使固定液相3液流停流，在固定液相通道5的出口形成固定液相3和流动液相2两相的相间界面；流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
参照图11.是加工有根据本发明优选实施例1微结构的用于己醇-丁基罗丹明B-水萃取分析的微流控芯片的整体结构图。微流控芯片1由上、下两片组成，采用键合方法实现上、下两片的封合。在上片加工微通道。在上片上打孔，使芯片上微通道与外界相通。芯片水平放置，直接在上片表面围绕打出的孔固定圆形管形成贮液池11、12。微结构6，尺寸150×100×25微米。采用激光诱导荧光检测器，激发波长488纳米。激光光斑直径20微米。
具体操作步骤在贮液池11中加入少量己醇，让其充满整个通道；吸干贮液池中残留的己醇。在贮液池12中加入100微升10-7M的丁基罗丹明B的水溶液，试样水溶液进入微通道4，在汇流处与存留在通道5中的己醇形成萃取相间界面，发生萃取。同时，在试样水溶液通过通道4时，将少量的己醇封在微结构6中，形成萃取相间界面，发生萃取。
在前一个萃取体系中，随着萃取的进行，水溶液中丁基罗丹明B依靠分子扩散作用，通过两相界面进入己醇中，己醇中的丁基罗丹明B的浓度不断上升，离萃取界面越近，其浓度越高，离萃取界面越远，其浓度越低，形成浓度梯度。同时在两相界面水溶液对己醇的溶解效应，促使得通道5内己醇分子向两相界面迁移，产生对己醇中丁基罗丹明B试样带的压缩聚焦作用。一定时间后，两种作用有可能达到平衡。
在后一个萃取体系中，随着萃取的进行，水溶液中丁基罗丹明B依靠分子扩散作用，通过两相界面进入己醇中，己醇液滴中丁基罗丹明B的浓度不断增加；同时，在两相界面操作的水溶液对己醇的溶解效应，使截留于微结构6内的己醇液滴的体积不断缩小。二者的综合作用，促使己醇液滴中的丁基罗丹明B的浓度快速上升，同时体积迅速减小。在己醇液滴消失前，己醇液滴中的丁基罗丹明B的达到很高的浓度。
参照图12.对丁基罗丹明B水溶液采用后一个萃取体系进行萃取分析的结果记录图。丁基罗丹明B水溶液浓度是10-7mol/L。萃取开始15分钟后，萃取浓集倍率达到500倍。
实施例2参照图2.其中，在芯片1的流动液相2通道4侧壁加工有两种不同构型的用于截留固定液相3的凹形微结构6，图中通道上侧壁微结构6为长方形结构；通道下侧壁微结构6为缩口形结构，有利于形成稳定重现的相间界面。萃取进行时，在微结构6内截留一定体积的固定液相3，流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例3参照图3.其中，在芯片1的流动液相2通道4侧壁加工有另外两种不同构型的用于截留固定液相3的凹形微结构6，图中通道上侧壁微结构6为四分之三圆形结构；通道下侧壁微结构6为缩口三角形结构，缩口的使用有利于形成稳定重现的相间界面。萃取进行时，在微结构6内截留一定体积的固定液相3，流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例4参照图4.其中，在芯片1的流动液相2通道4侧壁加工一个用于截留固定液相3的凸形微结构6。萃取进行时，在微结构6两侧截留一定体积的固定液相3，流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例5参照图5.其中，在芯片1的流动液相2通道4侧壁加工有倾斜角度不同的用于截留固定液相3的凸形微结构6，图中通道上侧壁微结构6为逆向流动液相2流动方向倾斜；通道下侧壁微结构6为顺向流动液相2流动方向倾斜。萃取进行时，在微结构6一侧截留一定体积的固定液相3，流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例6参照图6.其中，在芯片1的流动液相2通道4中央加工有用于截留固定液相3的微结构6。萃取进行时，在微结构6内截留一定体积的固定液相3，流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例7参照图7.其中，在芯片1的流动液相2通道4两侧加工有一系列用于截留固定液相3的微结构6，以进行大试样量的萃取。萃取进行时，在各个微结构6内截留一定体积的固定液相3，流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例8参照图8.其中，在芯片1上加工有两种与流动液相2通道4以直角相接的固定液相3通道5，其一为均一通道宽度的结构；其二为通道宽度变化的结构，前部宽开口有利于增加相接触面积，开口为缩口构型有利于形成稳定重现的相间界面，后部窄宽度通道可维持固定液相的供给，而又使固定液相3中的萃取物不被过度稀释。固定液相3液流由固定液相通道5引入，流动液相2由流动液相通道4引入。萃取时，使固定液相3液流停流，在固定液相通道5的出口形成固定液相3和流动液相2两相的相间界面；流动液相2保持流动状态，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例9参照图9.其中，在两片芯片1上，分别加工流动液相2通道4和固定液相3通道5，两侧加工有一系列用于截留固定液相3的微结构6，以进行大试样量的萃取。在两芯片1的通道4、5之间安置一相间隔夹膜7。萃取进行时，固定液相3液流在固定液相通道5内流动或停流，流动液相2在流动液相通道4内保持流动，粗箭头表示流动液相的流动方向。
实施例10参照图10.其中，固定液相3通道5为一由相间隔膜制成的毛细管10，将毛细管10一部置于流动液相2通道4内。萃取进行时，固定液相3液流在毛细管10内流动或停流，流动液相2在流动液相通道4内保持流动，粗箭头表示流动液相的流动方向。
权利要求
1.一种微分析芯片上的微液液萃取方法，其特征在于(A)微芯片的微通道内的萃取体系由相互间不完全相溶的至少两相液体构成；(B)微通道内液体存在至少两类液相以一定流速流动的流动液相和停留在通道内一定位置的固定液相；(C)两类液相具有相互间不完全相溶的特性；(D)萃取进行时，保持流动液相的流动状态，固定液相的停留状态；(E)利用萃取物由流动液相穿过两相接触界面向固定液相的净扩散效应，微尺度下显著的流动液相对固定液相本身的溶解效应，实现萃取物在固定液相和流动液相之间的萃取，和在固定液相中的高倍数浓集，和萃取物试样带在固定液相中的聚焦；(F)萃取或者浓集后，固定液相中的萃取物，采用原位检测或者将其引出检测的方法进行分析。
2.根据权利要求1所述的微分析芯片上的微液液萃取方法，其特征在于，产生固定液相的方法是在微通道内加工微结构或进行表面处理；将所需固定的液体引入微通道，有一定体积的该液体被截留在微结构内，不随液流流动而成为固定液相液滴。
3.根据权利要求1所述的微分析芯片上的微液液萃取方法，其特征在于，产生固定液相的方法是在微通道内加工微结构或进行表面处理；将所需固定的液体引入微通道，通过使该液体停流的方法在微通道内形成固定液相，并依靠与流动液相的相互作用，形成位置可以重现的相间界面。
4.根据权利要求1所述的微分析芯片上的微液液萃取方法，其特征在于，产生固定液相的方法是在微通道内加工或外加能进行两相间分子交换的相间隔膜，间隔流动液相和固定液相；将所需固定的液体引入微通道，通过停流或使其以很低的流速流动的方法在微通道内形成固定液相或近似固定液相。
5.根据权利要求2所述的微分析芯片上的微液液萃取方法的装置，其特征在于，微通道上的微结构具有相对凸出通道的，或者凹入通道的，或者在通道中间的三类构型；有利的是，在微结构的两相界面处采用缩口结构，有利于形成体积和初始相界面位置均可重现的固定液相液滴。
6.根据权利要求2所述的微分析芯片上的微液液萃取方法的装置，其特征在于，在微通道内加工不止一种构型的微结构，或者加工同一结构的不止一个微结构。
7.根据权利要求3所述的微分析芯片上的微液液萃取方法的装置，其特征在于，芯片采用流动液相和固定液相液流的交叉型或者汇流型通道构型，通过使需要固定的液体停止流动的方法，产生固定液相。
8.根据权利要求4所述的微分析芯片上的微液液萃取方法的装置，其特征在于，相间隔膜的构型为片形或者管形结构。
9.根据权利要求1所述的微分析芯片上的微液液萃取方法，其特征在于，利用流动液相对固定液相本身的溶解效应，提高固定液相对萃取物的浓集倍率，或者使其析出固体。
10.根据权利要求1所述的微分析芯片上的微液液萃取方法，其特征在于，利用与扩散效应作用相反的流动液相对固定液相的溶解效应，实现固定液相中的萃取物试样带被局限或者聚焦于固定液相中的某一特定区域的目的；在固定液相和流动液相两相不完全混溶的条件下，选择对固定液相溶解能力强的流动液相，有利于提高固定液相中对萃取物的聚焦作用。
全文摘要
本发明涉及一种在微分析芯片上进行的微液液萃取方法及其装置，其特征是，微芯片的微通道内的萃取体系由相互间不完全相溶的流动液相和固定液相构成，利用分子扩散效应和流动液相对固定液相的溶解效应，实现萃取物在固定液相和流动液相之间的萃取，和在固定液相中的高倍数浓集，和萃取物试样带在固定液相中的聚焦。本发明的优点是在微分析芯片上实现高浓集倍率的萃取，萃取所需试剂和试样量极少，萃取系统结构简单，容易操作。
文档编号G01N1/00GK1579591SQ0314229
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月14日 优先权日2003年8月14日
发明者方群, 陈宏 , 蔡增轩 申请人:浙江大学