专利名称：阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型属生物检测技术领域，具体涉及一种阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片。
背景技术：
自从1990年A.Manz[1]等首次提出微型全分析系统(μ-TAS)以来，作为一个跨学科的新领域，其目标是借助微机电加工(MEMS)技术与生物技术实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化，是目前分析仪器发展的重要方向与前沿。微流控芯片则以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点。作为微流控分析系统的一个重要分支，毛细管电泳芯片技术以其高效、快速、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在临床诊断、药物分析、法医、环境检测和军事等领域显示了良好的应用前景，各种新的微流控芯片和检测技术层出不穷。
芯片毛细管电泳主要使用玻璃和聚合物芯片[2]，玻璃芯片加工技术要求高，需专用的设备，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其应用。于是聚合物芯片得到了发展，其中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)是两种常用的聚合物[3]。聚合物芯片的制作主要采用注塑、印模和浇铸等技术，但制作出来的塑料芯片上的毛细管槽有变形现象，与设计值有一定差异，且同种芯片间的重现性不佳。单体注模直接生产聚合物芯片技术，将有芯片微流结构的硅片或金属阳膜制成模具，再将聚合物单体如甲基丙烯酸甲酯等注入其中引发聚合，脱模后即可制作成芯片，具有方法简便、原料成本低廉，重现性好等优点，适合大批量生产。由于芯片上的微流通道尺寸微小，需要高灵敏度的检测手段，芯片毛细管电泳多采用激光诱导荧光检测，但对非荧光或不易衍生的物质就需使用其他检测技术，如电化学和质谱检测等。质谱检测仪器昂贵，不易微型化，于是灵敏度较高的电化学检测技术得到了发展。电化学检测死体积小、灵敏度高、电极及控制仪器小巧易集成。自从1998年A.T.Woolley[4]首次报道芯片毛细管电泳电化学技术以来，该技术得到了国内外专家的广泛重视，开发新型的毛细管电泳芯片以及新型的电导检测电极有重要意义。
无机和有机阴阳离子的同时分离分析在临床诊断、生物医学研究、环境监测和食品分析工业在线分析等领域有重要意义，目前尚不能进行阴离子和阳离子的芯片毛细管电泳同时分离分析，两类离子需要分别进行分析。
参考文献[1]Manz A，Graber N，Widmer HM.Sens.Actuators B 1990，1，244-248. Verpoorte E.Electrophoesis 2002，23，(6)77-712. Becker H，Locascio，LE.Talanta 2002，5(6)，2(6)7-287. Woolley AT，Lao，K，Glazer AN，Mathies RA.Anal.Chem.1998，70，(6)84-(6)88.
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种操作简便、线性范围宽、重现性好、灵敏度高、样品用量少的高通量的阴阳离子同时分析毛细管电泳电导检测芯片。
本实用新型提出的阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片，由本体聚合聚甲基丙烯酸甲酯毛细管电泳芯片1和移动式非接触电导检测电极2构成，可以进行阴阳离子双向同时进样、同时分离和同时检测，其结构见图1所示。其中，毛细管电泳芯片1中间位置横贯有分离毛细管4，分离毛细管4的两端内侧设置有两根进样毛细管5，成十字交叉形式；分离毛细管4的两端设有缓冲溶液孔7和10，两根进样毛细管5的一端(如图1中的上端)分别设有缓冲溶液孔3和(6)，两根进样毛细管5的另一端(如图1中的下端)分别设有样品溶液孔8和9，导电检测电极2设置于毛细管电泳芯片中间部位，与分离毛细管4垂直。电导检测电极2由电极基片13、金属膜电极对14、U形夹11和铜丝12构成，其结构如图2所示。金属膜电极对14直接制作于电极基片13上，电极两端分别成U形弯曲，使电极对14粘在电极基片13的上、下两面。其中，电极基片13的一侧的两电极固定在电极基片13的中线位置，另一侧的两电极末端分别由导电胶15与细铜丝12连接；两个U形夹11粘在电极基片13的两端，使电导检测电极对14与毛细管电泳芯片1的上表面紧密接触并可以沿分离毛细管4方向移动；金属膜电极对14通过细铜丝12与电导仪连接。
本实用新型中，分离毛细管4和进样毛细管5的宽度为40-100μm，深度为15-30μm，分离毛细管4的长度为6-10cm，进样毛细管5的长度为0.8-2cm。其缓冲溶液孔3、6、7和10以及样品溶液孔8和9的直径为1-3mm。毛细管电泳芯片1的长度为70-110mm，宽度为18-30mm，厚度为1.5-2.5mm。毛细管电泳芯片1材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
本实用新型中，电导检测电极的金属膜电极14的宽度为0.6-1mm，长度为20-30mm，电极基片13的长度为20-30mm，宽度为8-12mm，厚度为0.8-1.2mm。该金属膜电极对14为条状，相互平行，平行距离为0.6-0.8mm。
本实用新型设计的阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片的制作方法如下采用计算机辅助设计软件设计芯片的如图1所示双十字交叉毛细管通道和溶液连接孔，采用高分辨率(大于3000dpi)激光照排系统在透明薄膜上打印成掩膜负片，掩膜上的微流通道宽度为40-100μm，溶液连接孔直径1-3mm，其中分离毛细管4和进样毛细管5和溶液孔3、6、7、8、9和10(图1)为透明，剩余部分为黑色。阴阳离子双向进样毛细管电泳芯片设计图的正像见图1(不包括电导检测电极2)。在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚100nm)通过旋转涂膜技术涂覆一层负性光刻胶(如SU-8光刻胶)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，经紫外线曝光和烘烤处理后，用配套显影剂浸泡处理，分别在丙酮和异丙醇中洗去未部曝光部分(毛细管和溶液孔以外的区域)的光刻胶层，然后于烘箱中烘使毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化，于稀HF-NH4F溶液蚀去硅片表面未部曝光部分的SiO2层，然后于50-70℃用40％KOH水溶液(含5％异丙醇)刻蚀裸露的硅片约1小时，即制成硅片阳模。将有毛细管凸槽的硅片一面与一块平板玻璃夹紧一中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板(约2mm厚)，构成芯片模具。在甲基丙烯酸甲酯中溶解15-20％的聚甲基丙烯酸甲酯粉末以增加粘度，与一定量引发剂如安息香甲醚(0.1％-0.2％)混合，将该混合物中注入模具中，采用紫外线引发聚合。同时将相应液体混合物注模于缝隙约为100μm的平板玻璃间聚合，脱模后得到相同材料的盖膜。将毛细管电泳芯片基片水浴超声脱模，通道末端钻孔(溶液连接孔3、(6)、7、8、9和10见图1，孔径1-3mm)用于连接溶液，通过热压或溶剂法将一层盖膜粘在毛细管电泳芯片基片上，即得芯片成品。有盖膜的一面为芯片上表面，将与配套的移动式非接触电导检测电极2直接接触。电导检测电极2的制作方法为将铝膜(或其他金属膜)剪切成条状电极(宽0.(6)-1mm，长20-30mm)，通过粘合剂(如快速固化环氧树脂)按照图2示粘在一长方形的透明硬塑料基片13(如聚苯乙烯片，长20-30mm，宽8-12mm，厚0.8-1.2mm)的两侧，电极在塑料片的两端分别有一个U形弯曲(图2(c)和(d))，使电极对14可以粘在电极基片13的上下两面。一面的两电极端固定在塑料片13的中线位置(图2(b))，要求电极条平行且两电极间的平行距离为0.(6)-0.8mm，之所以没有将两电极直接平行安置，是因为将电极粘在塑料片中线两侧可降低电极对14间的寄生电容。塑料片13另一侧两电极末端分别用导电胶15与细铜丝12连通，铜丝12用于电极对14与电导仪连接。将两个聚氯乙烯(PVC)薄片(长20mm，宽10mm，厚0.2-0.3mm)热压制成的U形夹子11用粘合剂粘在含电极对塑料片13的两端，即制得毛细管电泳芯片移动式非接触电导检测电极2。
本实用新型的操作过程和测试结果如下图2(b)示含电极对的电导检测电极下表面与毛细管电泳芯片的上表面在U形夹11的作用下紧密接触，由于芯片盖膜很薄(厚100μm)，当离子通过盖膜下面的毛细管流经电导电极对14时，电导电极对14间的电导将上升，从而达到检测的目的。由于电极对14与缓冲液和样品不接触，避免电极粘污，使分析重现性大大提高。芯片的操作为将含阴阳离子的相同样品溶液填充于样品溶液孔8和9中，先在样品溶液孔8和样品溶液孔9间施加进样电压1-2秒，其中一个孔8与高压负极相连，另一个孔9与高压正极相连，将阳离子样品区带和阴离子样品区带通过电泳迁移经两个进样毛细管5引入分离通道(分离毛细管)4，阳离子区带进入右边十字交叉处的内侧，阴离子样品区带进入左边十字交叉处的内侧，然后在缓冲溶液孔7和缓冲溶液孔10间施加分离电压，其中缓冲溶液孔7与高压负极相连，缓冲溶液孔10与高压正极相连，在高压电场的作用下，阳离子从右侧的进样十字交叉处向左侧迁移，而阴离子从左侧的进样十字交叉处向右侧迁移，移动式非接触电导检测电极2获得最佳检测位置，从而完成对阴阳离子的同时进样、同时分离和同时检测，大大提高分离效率和容量。此外，通过改变进样方式该阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片还可以单独用于阴离子或阳离子的分析，如在样品溶液孔9和缓冲溶液孔7间施加进样电压，样品溶液孔9接高压正极，仅阳离子从右边十字交叉处被引入分离毛细管4；如在样品溶液孔10和缓冲溶液孔8间施加进样电压，样品溶液孔10接高压负极，仅阴离子从左边十字交叉处被引入分离毛细管4，分离方式同上。
本实用新型的阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片操作简便、重现性好、灵敏度高、线性范围宽、样品用量少，可同时分离检测阴阳离子，分析效率高。具体可见下述的测试实验结果使用上述阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片，采用双向阴阳离子同时进样，获得的0.1mMCH3NH3+、NH4+、Na+、Cl-、NO3-和ClO4-的电泳图谱见3(A)。采用正极单向进样获得的0.1mMCH3NH3+、NH4+和Na+的电泳图谱见3(B)，采用负极单向获得的0.1mM Cl-、NO3-和ClO4-三种阴离子的电泳图谱见3(C)，测试条件为分离电压为+1000V，进样电压为+500V，进样时间为1s，缓冲溶液为20mM 2-吗啉乙磺酸(MES)-20mM组氨酸(pH(6).1)，电导检测波形为正弦波(频率为200kHz，峰-峰电压幅度为10V，非接触式移动电导检测电极2与右侧正极十字交叉的距离为2.7cm。对上述测定的阴阳离子的线性范围为0.01-5mM，检测下限在5-8μM范围内，10次测定0.1mM NH4+、Na+、Cl-和ClO4-的峰信号的相对标准偏差分别为4.2％、3.9％、4.8％和4.0％，表明该阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片线性范围宽且重现性良好，高效快速，在(6)0秒内就可完全分离并同时检测六种阴阳离子，可用于实际样品的测定。
图1为本实用新型的平面结构图。
图2为本实用新型中移动式非接触电导检测电极结构图，其中图2(a)为电导检测电极的上表面图示，图2(b)为电导检测电极的下表面图示，图2(c)为电导检测电极2的剖面图示，图2(d)为安置在电泳芯片1上的电导检测电极2的剖面图示。
图3为本实用新型阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片分离检测三种阳离子和三种阴离子的电泳图谱。其中图3(A)为本实用新型同时分离检测三种阳离子和三种阴离子的电泳图谱，图3(B)和图3(C)为本实用新型分别分离检测三种阳离子和三种阴离子的电泳图谱。
图中标号1为毛细管电泳芯片，2为移动式非接触电导检测电极，3为缓冲溶液孔，4为分离毛细管，5为进样毛细管，(6)和7均为缓冲溶液孔，8和9均为样品溶液孔，10为缓冲溶液孔，11为U形PVC夹，12为细铜丝，13为电极基片，14为金属膜电极对，15为导电胶，a、b、c、d、e和f分别为浓度为0.1mM的CH3NH3+、NH4+、Na+、Cl-、NO3-和ClO4-。
具体实施方式
下面通过实施例和附图进一步描述本实用新型1、阴阳离子双向进样毛细管电泳芯片的制作(A)电泳芯片的设计采用Adobe Illustrator 10.0软件设计芯片的毛细管通道和溶液连接孔，采用高分辨率(3(6)00dpi)激光照排系统在聚酯透明薄膜上打印成掩膜负片，掩膜上的微流通道宽度为50μm，溶液连接孔为直径2mm的圆孔，其中微流通道(分离毛细管4和进样毛细管5)和溶液孔3、(6)、7、8、9和10(图1)为透明，剩余部分为黑色。阴阳离子双向进样毛细管电泳芯片设计图的正像4见图1(不包括电导检测电极2)。分离微流通道4长7.(6)cm，进样微流通道5长1cm，其中毛细管4和5交叉点到最近的三个溶液连接孔的距离均为0.5cm。
(B) 硅负片及芯片模具的制作在经氧化处理的硅片(p型，厚500μm，直径4英寸，晶向<100>，表面二氧化硅氧化层厚100nm)通过旋转涂膜技术(转速3000rpm，40秒)涂覆一层负性光刻胶(SU-8光刻胶)，于(6)5℃烘箱中烘40分钟(前烘)，然后盖上掩膜(含设计的芯片毛细管微流结构)，用石英玻璃板(1.5-2mm)压紧，于紫外线下曝光30min(3(6)5nm，45W)，于(6)5℃烘箱中烘25分钟(曝光后烘)，用SU-8配套显影剂浸泡处理90秒后，分别在丙酮和异丙醇中漂洗20秒以洗去未部曝光部分(毛细管和溶液孔以外的区域)的光刻胶层，然后于150℃烘箱中烘10分钟(后烘)使硅片上毛细管通道和溶液连接孔部分曝光的光刻胶硬化，将硅片浸于0.5M HF-0.5M NH4F溶液3.5分钟将硅片表面的SiO2层蚀去，然后于(6)0℃用40％KOH水溶液(含5％异丙醇)刻蚀裸露的硅片约1小时(刻蚀速度为0.35μm/分钟)，形成阳膜的突出毛细管通道和溶液孔结构部分，硅片未刻蚀部分表面的光刻胶在刻蚀过程中会自动脱落，光刻胶下的二氧化硅层不会被40％KOH水溶液刻蚀而保护二氧化硅层下的硅结构，即得制成硅片阳模。将有毛细管凸槽的硅片一面与一块平板玻璃夹紧一中间镂空为芯片尺寸的矩形的铝板(约2mm厚)，即成芯片模具。
(C)注模和聚合在聚合物单体甲基丙烯酸甲酯中溶解15-20％的聚甲基丙烯酸甲酯粉末以增加粘度，与一定量引发剂安息香甲醚(0.15％)混合，将该混合物中注入模具中，采用紫外线(3(6)5nm，(6)W)引发聚合。同时将相应液体混合物注模于缝隙为100μm的平板玻璃间聚合，脱模后得到相同材料的盖膜。在室温下，完全聚合时间约为3-(6)小时。
(D)脱模和覆膜将芯片基片(6)0℃水浴超声脱模，微流通道末端钻孔(溶液连接孔3、(6)、7、8、9和10见图1，孔径2mm)用于连接溶液，然后通过热压(108℃/10分钟)或溶剂法(氯仿)将一层盖膜粘在毛细管基片上，即得芯片成品。有盖膜的一面为芯片上表面。毛细管电泳芯片1的长度为8.5mm，宽度为2.2mm，厚度为2mm。
2、毛细管电泳芯片移动式非接触电导检测电极的制作将10μm厚铝膜(或其他金属膜)剪切成条状电极(宽0.8mm，长24mm)，通过快速固化环氧树脂按照图2示粘在一长方形的透明硬塑料片13(如聚苯乙烯片，长23mm，宽8mm，厚1mm)的两侧，电极在塑料片的两端分别有一个U形弯曲(图2(c)和(d))，使电极4可以粘在塑料片13的上下两面。一面的两电极端固定在塑料片13的中线位置(图2(b))，要求电极条平行且两电极间的平行距离为0.(6)-0.8mm，没有将两电极直接平行安置，是因为将电极粘在塑料片中线两侧可降低电极对的寄生电容。塑料片另一侧两电极末端分别用导电胶15与直径100μm的铜丝12连通，铜丝12用于电极对14与电导仪连接。将两个聚氯乙烯(PVC)薄片(长20mm，宽10mm，厚0.2-0.3毫米)热压制成的U形夹子11用快速固化环氧树脂粘在含电极对塑料片13的两端，即制得毛细管电泳芯片移动式非接触电导检测电极2。
权利要求1.一种阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片，其特征在于由本体聚合聚甲基丙烯酸甲酯毛细管电泳芯片(1)和移动式非接触电导检测电极(2)构成，其中，毛细管电泳芯片(1)中间位置横贯有分离毛细管(4)，分离毛细管(4)的两端内侧设置有两根进样毛细管(5)，成十字交叉形式；分离毛细管(4)的两端设有缓冲溶液孔(7)和(10)，两根进样毛细管(5)的一端分别设有缓冲溶液孔(3)和(6)，两根进样毛细管(5)的另一端分别设有样品溶液孔(8)和(9)，导电检测电极(2)设置于毛细管电泳芯片中间部位，与分离毛细管(4)垂直；电导检测电极(2)由电极基片(13)、金属膜电极对(14)、U形夹(11)和铜丝(12)构成；金属膜电极对(14)直接制作于电极基片(13)上，电极两端分别成U形弯曲，使电极对(14)粘在电极基片(13)的上、下两面；其中，电极基片(13)的一侧的两电极固定在电极基片(13)的中线位置，另一侧的两电极末端分别由导电胶(15)与细铜丝(12)连接；两个U形夹(11)粘在电极基片(13)的两端，使电导检测电极对(14)与毛细管电泳芯片(1)的上表面紧密接触并可以沿分离毛细管(4)方向移动；金属膜电极对(14)通过细铜丝(12)与电导仪连接。
2.根据权利要求1所述的检测芯片，其特征在于分离毛细管(4)和进样毛细管(5)的宽度为40-100μm，深度为15-30μm，分离毛细管(4)的长度为6-10cm，进样毛细管(5)的长度为0.8-2cm。
3.根据权利要求1所述的检测芯片，其特征在于缓冲溶液孔(3)、(6)、(7)和(10)以及样品溶液孔(8)和(9)的直径为1-3mm。
4.根据权利要求1所述的检测芯片，其特征在于该金属膜电极对(14)为条状，相互平行，平行距离为0.6-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的检测芯片，其特征在于电导检测电极的金属膜电极(14)的宽度为0.6-1mm，长度为20-30mm，电极基片(13)的长度为20-30mm，宽度为8-12mm，厚度为0.8-1.2mm。
专利摘要本实用新型涉及一种阴阳离子毛细管电泳电导检测芯片。该芯片系统由双十字交叉聚甲基丙烯酸甲酯毛细管电泳芯片和移动式非接触电导检测电极构成，可进行阴阳离子双向同时进样、同时分离和同时检测。采用光刻与化学湿法蚀刻相结合的技术制作硅片阳模，将聚合物单体甲基丙烯酸甲酯与引发剂混合，注入模具中紫外光引发本体聚合制作毛细管电泳芯片。配套的移动式非接触电导检测电极为一对制作在塑料薄片上的条状金属薄膜电极。该检测系统操作简便、重现性好、灵敏度高、线性范围宽、样品用量少，可对阴阳离子同时进行分离和检测，分析效率高。可用于临床诊断、生命科学研究、环境监测、食品分析和工业在线分析等领域中阴阳离子的高通量分析。
文档编号G01N27/447GK2729722SQ20042009040
公开日2005年9月28日 申请日期2004年9月23日 优先权日2004年9月23日
发明者陈刚, 杨芃原, 张鲁雁 申请人:复旦大学