专利名称：一种纤维电泳芯片的制作方法
技术领域：
本实用新型属环境监测技术领域，具体涉及一种纤维电泳芯片。
背景技术：
自从1990年A.Manz等[1]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。微流控芯片中的毛细管电泳芯片是近年来在国内外分析化学界获得广泛重视的微分析技术，即在硅、玻璃、塑料等基体上刻蚀上毛细管槽，用盖板封闭好后，利用电场分离物质，它使毛细管电泳分离物质的整个过程在一块几平方厘米的基片上得以实现。毛细管电泳芯片电泳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，并以其高效、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，在环境监测、临床诊断、药物分析、法医和军事等领域显示了良好的应用前景，各种新的电泳芯片制备和检测技术层出不穷。
电泳微芯片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。通常芯片电泳都是在芯片中的毛细管中进行的。发明人首次发现将纤维束浸渍特殊的浸渍剂如甘油后，可以通过有机玻璃单体原位聚合包埋在有机玻璃片中，在纤维束的末端钻孔使其暴露在孔中，当浸渍剂通过小孔洗去后，纤维束中的空隙可代替传统的毛细管进行电泳分离，从而提出了纤维电泳芯片这一新技术和新概念。
参考文献[1]Manz A，Graber N，Widmer HM.Sens.Actuators B 1990，1，244-248. Verpoorte E.Electrophoesis 2002，23，677-712. Becker H，Locascio，LE.Talanta 2002，56，267-287.
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种制作方便、成本低廉、检测快速、重现性好的纤维电泳芯片，它利用有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯注模原位聚合和光引发冷法聚合技术，使用纤维束和有机玻璃片制作成纤维电泳芯片。纤维电泳芯片系首次提出。
本实用新型提出的纤维电泳芯片，其结构与通常的用有机玻璃制作的毛细管作为分离和进样毛细管的电流芯片的结构一样，如图1所示，它由分离毛细管2和进样毛细管7垂直交叉置于芯片3上构成。毛细管的两端处分别为溶液连接孔1、6、4、5，上面有有机玻璃盖板8。本实用新型中，进样毛细管7和分离毛细管2采用纤维束，纤维束的直径为100-300微米。纤维束可采用50-200根、每根直径为10-30微米的单丝，玻璃纤维无捻粗纱或化学纤维长丝(如涤纶等)无捻粗纱组成。
本实用新型提出的纤维电泳芯片，是利用纤维束中的空隙作为电泳分离和进样通道，从而代替原来的有机玻璃制作的毛细管，实现电泳检测。
由于采用纤维束作为电泳分离和进样通道，因此，电泳芯芯片的制作与原来的不同。本实用新型电泳芯片的制作步骤如下将厚度为1-2毫米的有机玻璃片裁成需要的尺寸(如2厘米×7厘米)，除去表面保护膜后，用洗涤剂和水洗净后吹干后备用。将含一定数量(如50-200根)公称直径为10-30微米单丝的玻璃纤维无捻粗纱或化学纤维长丝(如涤纶)无捻粗纱经氯仿或乙醇脱脂、洗涤剂清洗和干燥后，浸入水溶性的粘稠浸渍液(如甘油)，然后提出，拉紧纤维的两端并用滤纸除去渗在纤维表面的甘油小液滴，得清亮的甘油浸渍纤维束。将需要长度(如3-10厘米)的甘油浸渍纤维束置于一洁净的有机玻璃片或厚度为100-120微米的有机玻璃膜12上，将较短(如1厘米)的甘油浸渍纤维束置于离长纤维束一端一定距离处(如0.4-0.6厘米)并与之垂直，十字交叉点为两纤维束的连接点，长的纤维束2用于电泳分离，短的纤维束7用于进样。纤维束2、7因甘油的粘性而固定在有机玻璃片或有机玻璃膜12上。由于甘油的粘度大，可将无捻粗纱粘合成束，防止散开。纤维束的典型直径为100-300微米。
将有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯与少量热引发剂偶氮二异丁腈(用量为单体质量的0.1-0.2％)和少量光引发剂安息香(用量为单体质量的0.1-0.2％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于80-90℃水浴中加热10-15分钟，使单体溶液预聚成甘油状的清亮溶液。将一中间镂空有芯片尺寸(矩形)大小的硅橡胶(即聚二甲基硅氧烷)片9(厚度为0.5-1mm)放在有纤维束的有机玻璃板片或膜12上，使纤维束在中间镂空矩形内，构成模具空腔10，将上述预聚溶液注满模具空腔，再将另一片厚度为1-2毫米的有机玻璃片8盖在模具空腔10上，压紧并挤出气泡。用波长为365纳米的紫外灯通过有机玻璃片8照射预聚溶液引发本体聚合，得纤维电泳芯片坯片(图3(b))，芯片与紫外灯的距离为4-6厘米，在温度为20-25℃左右时，需要25-35分钟左右可聚合完全。也可在太阳光下聚合，气温为20-25℃左右时，需要50-70分钟左右可聚合完全。在坯片的一面钻溶液连接孔1，4，5和6，孔径如1-3毫米，钻孔点为两束纤维束的末端，且孔的深度要求使纤维束的末端暴露在溶液连接孔中。钻孔时纤维束防止钻孔产生的碎屑进入。通过在一个溶液连接孔用注射器加压，将60-70℃的热水压入纤维束中，使甘油被洗出，钻孔后的坯片经修边得纤维电泳芯片成品(图3(c))。将电解液通过芯片上的溶液孔注入纤维束，即可进行电泳分离。
本实用新型纤维电泳芯片制作使用的有机玻璃板、纤维束玻璃丝和化学纤维已大规模生产，成本低廉。值得说明的是的纤维电泳芯片电泳通道不易堵塞，根本解决了普通电泳芯片毛细管易堵的问题。本实用新型制作的纤维电泳芯片操作简便、重现性好、灵敏度高、线性范围宽、样品用量少，可用于环境监测、临床诊断、生命科学研究、食品分析和工业在线分析等领域。
图1为本实用新型涉及的典型纤维电泳芯片的结构图示。
图2为本实用新型中纤维电泳芯片原位聚合装置的结构图(分解图)。
图3为本实用新型中纤维电泳芯片制作流程图。(a)为光引发原位聚合法制备纤维电泳芯片示意图；(b)为本实用新型涉及的三明治夹心式纤维电泳芯片坯片外观；(c)为在纤维束末端钻溶液连接孔后的成品纤维电泳芯片外观。
图4为使用本实用新型技术制备的安培检测纤维电泳芯片分离苯酚(a)、2-氯苯酚(b)和2，3-二氯苯酚(c)的电泳图谱。
图5为使用本实用新型技术制备的电导检测纤维电泳芯片分离钾离子(a)、钠离子(b)和锂离子(c)的电泳图谱。
图中标号1、6、4、5为溶液孔，2为分离毛细管(也为长纤维束)，7为进样毛细管(也为短纤维束)，3为基板，8为有机玻璃玻璃盖板，9为硅橡胶片，10为模具空腔，11为硅橡胶片9的一侧开口，12为有机玻璃片或有机玻璃膜，13为玻璃板，14为纤维电泳芯片坯片。
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、安培检测纤维电泳芯片的制作(A)纤维束在有机玻璃板上的定位将厚度为1毫米的商品有机玻璃板裁成2厘米宽和7.5厘米长的小片，除去表面保护膜后，用洗涤剂和水洗净后吹干后备用。将无碱玻璃纤维无捻粗纱(约含120根公称直径为14微米单丝)经氯仿脱脂后，分别用无水乙醇和水清洗后自然干燥，浸入甘油后提出，得清亮的甘油浸渍纤维束。将长度为6.5厘米的甘油浸渍纤维束置于一洁净的有机玻璃片12上，将另一1厘米长的甘油浸渍纤维束置于离长纤维束一端0.5厘米处并与之垂直，十字交叉点为两纤维束的连接点，长的纤维束2用于电泳分离，短纤维束7用于进样。纤维束的直径约为200微米。
(B)纤维束在芯片中的包埋及纤维电泳芯片制作将有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯与少量热引发剂偶氮二异丁腈(约为单体质量的0.15％)和少量光引发剂安息香(约为单体质量的0.2％)，在50℃水浴加热并摇动使其溶解，然后于85℃水浴中加热约12分钟，每3分钟摇动混合溶液一次，使单体溶该预聚成甘油状粘度状的清亮溶液。将厚度为0.8mm的硅橡胶(聚二甲基硅氧烷)片9中间镂空为芯片尺寸矩形大小的矩形，然后放在有纤维束的有机玻璃片12上，使纤维束在中间镂空矩形内，构成模具空腔10，将上述预聚溶液注满模具空腔，再将另一片厚度为1毫米的有机玻璃盖板8盖在模具空腔10上，小心压紧并挤出气泡，然后用波长为365纳米的紫外灯通过有机玻璃盖板8照射预聚溶液引发本体聚合，得纤维电泳芯片坯片14(图3(b))，在坯片的一面钻溶液连接孔1，4，5和6，孔径2毫米，钻孔点为所有纤维束的末端，且孔的深度达到纤维束的末端暴露在溶液连接孔中。在一个溶液连接孔用注射器加压将70℃的热水压入所有纤维束中，使甘油被洗出，钻孔后的坯片经修边得纤维电泳芯片成品(图3(c))。将电解液通过芯片上的溶液孔注入纤维束，即可进行电泳分离。将图1中的芯片末端(右侧)切割后使分离纤维束的末端露出，得安培检测用纤维电泳芯片，可用于柱端安培检测。
(C)安培检测纤维电泳芯片的应用本实用新型制作的安培检测纤维电泳芯片已成功用于酚类环境污染物的分离分析，具体可见下述的测试实验结果使用结构如图1所示的玻璃纤维电泳芯片与0-3000V高压直流电源和安培检测仪构成玻璃纤维电泳芯片安培检测系统，获得的100μM苯酚、2-氯苯酚和2，3-二氯苯酚的电泳图的电泳图谱见图4。测试条件为分离电压为+2000V，进样电压为+2000V，进样时间为3s，缓冲溶液为5mM硼砂-5mM磷酸盐缓冲液(pH8.5)，检测电极为直径200μm的碳圆盘电极，检测电位为0.95V(相对于Ag/AgCl电极)。线性范围为0.1μmol/L-1000μmol/L，检测下限为0.08-0.1μmol/L。10次测定100μM苯酚、2-氯苯酚和2，3-二氯苯酚峰信号的相对标准偏差分别为3.1％、2.5％和4.5％，表明该本体修饰聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片线性范围宽、重现性良好、高效快速，在200秒内就可完全分离并同时检测三种酚类污染物，可用于实际样品的测定。
2、电导检测纤维电泳芯片的制作(A)纤维束在有机玻璃板上的定位因为微流控芯片非接触电导检测电极需尽量接近芯片内的通道，以提高检测灵敏度，需使用厚度为100微米左右的有机玻璃膜代替实施例1中的有机玻璃片来负载甘油浸渍纤维束。电导检测纤维电泳芯片主要用于分离离子，所以纤维束需要使用中性的材料，本实施例选用涤纶长丝纱线，退捻后得涤纶无捻粗纱(约含200根公称直径约为6微米单丝)，分别用无水乙醇和水清洗后自然干燥，涤纶长丝纤维束的浸渍、芯片的尺寸、纤维束的长度等同实施例1。纤维束的直径约为250微米。将厚度为1毫米商品有机玻璃板裁成2厘米宽和7.5厘米长的小片，除去表面保护膜后，用洗涤剂和水洗净后吹干后备用。此外将实施例1的预聚溶液涂在一片玻璃片上并压紧在另一玻璃片上，两块玻璃板间的距离可通过在玻璃板的四边内侧贴上厚度100微米的透明涤纶薄膜来控制，用波长为365纳米紫外光照射引发本体聚合，并脱模后得有机玻璃膜，并剪裁成与有机玻璃片相同尺寸的小片。将有机玻璃膜12贴在一玻璃板14上，将长度为6.5厘米的甘油浸渍纤维束置于有机玻璃膜12上，将另一1厘米长的甘油浸渍纤维束置于离长纤维束一端0.5厘米处并与之垂直，十字交叉点为两纤维束的连接点，长的纤维束2用于电泳分离，短纤维束7用于进样。
(B)纤维束在芯片中的包埋及电导检测纤维电泳芯片制作将一中间镂空为芯片尺寸大小的矩形的硅橡胶聚二甲基硅氧烷片9(0.8毫米厚)放在有纤维束的有机玻璃膜12上，有机玻璃膜12由玻璃板13支撑，使纤维束在中间镂空矩形内，构成模具空腔10，将上述预聚溶液注满模具空腔，再将另一片厚度为1毫米的有机玻璃盖板8盖在模具空腔10上，压紧并挤出气泡后用波长为365纳米的紫外灯通过有机玻璃盖板8照射预聚溶液引发本体聚合，得纤维电泳芯片坯片14(图3(b))，在离坯片中纤维束远的一面钻孔1，4，5和6，孔径2毫米，钻孔点为所有纤维束的末端，且孔的深度达到使纤维束的末端暴露在溶液连接孔中。因为纤维束离芯片的一面很近，钻孔时要防止将芯片钻通，钻头接触到纤维束即可。通过在一个溶液连接孔用注射器加压将70℃的热水压入所有纤维束中，使甘油被洗出，钻孔后的坯片经修边得纤维电泳芯片成品(图3(c))。将电解液通过芯片上的溶液孔注入纤维束，即可进行电泳分离。与实施例1中安培检测微流控芯片的区别为电导检测纤维电泳芯片的通道离上表面的距离较近(100微米)，此外电导检测纤维电泳的右侧末端无需切掉。
(C)电导检测纤维电泳芯片的应用本实用新型制作的电导检测纤维电泳芯片与0-3000V高压直流电源和电导检测仪构成芯片电泳电导检测系统，已成功用于K+、Na+和Li+三种阳离子的电泳分离，获得的0.1mMK+(a)、Na+(b)和Li+(c)的电泳图谱见图5，测试条件为分离电压为+1500V，进样电压为+1500V，进样时间为1s，缓冲溶液为20mM 2-吗啉乙磺酸(MES)-20mM组氨酸(pH6.1)，电导检测波形为正弦波(频率为100kHz，峰-峰电压幅度为5V)，对上述测定的阴阳离子的线性范围为0.01-5mM，检测下限范围为2-5μM，10次测定0.1mM K+和Na+的峰信号的相对标准偏差分别为2.2％和3.1％，表明该纤维电泳电导检测芯片线性范围宽且重现性良好，高效快速，在40秒内就可完全分离并同时检测三种阳离子。
本实用新型利用有机玻璃单体甲基丙烯酸甲酯注模原位聚合和光引发冷法聚合技术，使用价廉的纤维束和有机玻璃片制作纤维电泳芯片，制作简便和成本低廉。本实用新型涉及的纤维电泳芯片系首次提出。上述实施例表明该芯片具有实用性，可用于实际样品的测试，在环境监测、临床诊断和食品分析等领域中有良好的应用前景。
权利要求1.一种纤维电泳芯片，由分离毛细管(2)与进样毛细管(7)重交叉置于芯片基板上构成，毛细管的两端处分别为溶液连接孔(1、6、4、5)，上面有有机玻璃片(8)，其特征在于所说的分离毛细管(2)和进样毛细管(2)分别采用纤维束，纤维束的直径为100-300微米，而该由50-200根、每根直径为10-30微米的单丝玻璃纤维无捻粗纱或化学纤维无捻粗纱组成。
2.根据权利要求1所述的纤维电泳芯片，其特征在于溶液连接孔的孔径为1-3微米。
专利摘要本实用新型属环境监测技术领域，具体为一种纤维电泳芯片。该纤维电泳芯片由纤维束代替原电泳芯片中的玻璃毛细管而构成。其中纤维束由单丝的玻璃纤维无捻粗纱或化学纤维长丝无捻粗纱组成。其制备方法是将纤维束经脱脂、清洗和干燥后浸入浸渍液如甘油，得甘油浸渍纤维束。将纤维束按进样和分离毛细管的结构形成置于有机玻璃片或膜上，利用甲基丙烯酸甲酯注模原位聚合和光引发冷法聚合方法，将纤维束包埋，最后在纤维束一端注水加压，将甘油洗出。该电泳芯片利用纤维束中的孔隙作为电泳的进样和分离通道。该纤维电泳芯片制作简便、价格低廉，可批量生产，在环境监测、临床诊断和食品分析等领域中有良好的应用前景。
文档编号G01N27/447GK2784926SQ20052004103
公开日2006年5月31日 申请日期2005年4月21日 优先权日2005年4月21日
发明者陈刚, 张鲁雁, 杨芃原, 吴性良 申请人:复旦大学