专利名称：一种电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法
技术领域：
本发明属毛细管电泳技术领域，具体涉及一种电热丝压印法制备塑料毛细管电泳 芯片的方法。
背景技术：
自从1990年Manz等首次提出毛细管电泳芯片以来[1]，该技术就以其高效、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科学界及生命科学界有关专家 的广泛关注，在生物医药、环境监测、临床诊断、食品药品分析等领域显示了良好的应用前 景，目前制约毛细管电泳芯片广泛应用的瓶颈之一就是其较高的价格和较低的产量。毛细 管电泳芯片有着十分光明的应用前景和巨大的市场需求，建立其批量低成本加工技术势在 必行。近年来，作为毛细管电泳芯片基础的芯片材料和批量低成本加工技术研究已受到广 泛关注。目前，毛细管电泳芯片主要使用玻璃、石英和聚合物制作[2]，玻璃和石英微流控 芯片主要采用光刻与化学刻蚀相结合的方法加工，技术和设备要求高，难以采用模具大批 量生产，价格比较昂贵，限制了其广泛应用。于是，近年来聚合物微流控芯片得到了发展和 重视，可使用模具通过注塑、印模和浇铸等技术进行批量低成本生产[3]。用于加工毛细管 电泳芯片的塑料有有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚对苯二甲 酸乙二醇酯等。塑料毛细管电泳芯片的加工技术主要有热压[4]、注塑[5]和激光烧蚀[6]等，其 中热压技术最为常用，即在高于热塑性塑料的玻璃化温度之上，通过施加压力使阳膜的结 构复制到热塑性塑料片上，使用的硅阳膜或金属阳膜采用微机电加工技术制作。热压对芯 片模具的机械强度要求较高，硅模具易碎，通常热压次数不超过50次，不适合塑料毛细管 电泳芯片的批量热压加工。由于塑料毛细管电泳芯片的加工关键技术之一是制备微通道，由于电热丝通电后 发热可在热塑性塑料压出痕迹，于是，我们想到了建立电热丝压印法制备塑料毛细管电泳 芯片的方法，将通电的电热丝通过较低的压力压入热塑性塑料片表面，当将电热丝抽出时 可获得微通道，进一步封装后可得塑料毛细管电泳芯片。其中，电热丝不仅是加热元件，还 是压印通道的模版。该芯片加工技术具有操作简便、设备简单和成本低的优点，芯片成形工 艺容易自动化，在塑料毛细管电泳芯片的批量低成本生产方面有良好的应用前景。参考文献[l]Manz A. , Graber N. , ffidmer H. M. Sens. Actuators B 1990，1，244-248.[2]Verpoorte E.Electrophoesis 2002，23，677-712.[3]Becker H. , Gartner C. Electrophoresis 2000，2，12—26.[4]杜晓光，关艳霞，王福仁，方肇伦.高等学校化学学报，2003，24，962-1966.[5]周小棉，戴忠鹏，罗勇，等.高等学校化学学报，2005，26，52-54.[6] Roberts M. A. ， Rossier J. S. ， Bercier P. ， Girault H. Anal. Chem. 1997,69,2035-2042.
发明内容
本发明的目的在于提出一种操作简便、使用设备简单和制作成本低的制备塑料毛 细管电泳芯片的方法。本发明提出的制备塑料毛细管电泳芯片的方法采用电热丝压印法。具体是将电热 丝置于热塑性塑料片上，然后，夹于两片玻璃板间并施加压力。电热丝两端施加电压后发 热，在热塑性塑料片表面压出通道，封装后可得塑料毛细管电泳芯片。本发明可简化芯片加 工流程和降低芯片制作成本，为塑料毛细管电泳芯片的批量低成本加工提供新技术。本发明提出的电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法，具体步骤为(1)将电热丝从两头拉紧，置于裁成芯片大小的矩形热塑性塑料板的长边中线上， 夹于两片玻璃板间，并在两片玻璃板上施加压力。然后，在电热丝上两端施加电压，电热丝 发热，使与电热丝接触的塑料板表面软化，在压力的作用下电热丝嵌入塑料板表层，冷却后 抽出电热丝，即在塑料板表面留下开口的电泳分离通道。(2)按上述同样的方法在另一片同尺寸的相同材质的热塑性塑料板上的一头加工 与分离通道垂直的进样通道。(3)然后将这两片塑料片的有通道的一侧面对面合上，热压封装后可得单十字交 叉塑料毛细管电泳芯片。本发明中，步骤(1)中所述的电热丝拉紧装置可以是丝弓或者固定在电热丝一端 或两端的拉簧。在两片玻璃板上施加压印压力的装置可以是油压机、气压机和夹子等。本发明中，步骤(1)中所述的用于电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的热塑 性塑料可选用有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯或聚对苯二甲酸乙
二醇酯等。本发明中，步骤(1)中所述的电热丝可以是镍铬合金电热丝和铁铬铝合金，直径 为10-200微米，施加在电阻为1欧姆长度的电热丝上的交流或直流电压为0. 5-5V。热压过 程中施加在两片玻璃板上的压印压力为0. 5-2公斤/平方厘米，热压时间为5-20分钟。采用本发明的电热丝压印法，通过电热丝的排列组合可加工结构复杂塑料毛细管 电泳芯片，如阵列毛细管电泳芯片。本发明提出的电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法，进一步详述如下将厚度为0. 1-2毫米的热塑性塑料板裁成需要制备的芯片尺寸的小片2或7，一 般长30-100毫米，宽10-20毫米。然后将直径为10-200微米的镍铬合金电热丝和铁铬铝 合金电热丝3通过丝弓或者拉簧拉紧，电热丝长度要长于塑料片的长度，一般为50-150毫 米，将电热丝3置于裁成芯片大小的矩形热塑性塑料片2的长边中线上，夹于两片压印用玻 璃板1间，并在两片玻璃板1上通过压机的压头施加压力4，施加在玻璃板上的压印压力为 0. 5-2公斤/平方厘米。然后在电热丝上两端施加电压，施加在电阻为1欧姆长度的电热丝 上的交流或直流电压为0. 5-5V ；热压时间为5-20分钟。电热丝由于发热使与其接触的塑 料板表面软化，在压力的作用下电热丝3嵌入热塑性塑料片2的表层，冷却后抽出得压印有 开口分离通道6的塑料片5。按同样的方法在另一片同尺寸的热塑性塑料片7上的一头加工与分离通道6垂直的进样通道9，在压印有分离通道的塑料片5的通道末端和其对应于压印有进 样通道的塑料片5的通道末端的位置钻直径为1-3毫米的溶液连接孔，得钻孔后的压 印有分离通道的塑料片11，然后将带有开口进样通道9的塑料片8与带有分离通道 的塑料片5有通道的一侧面对面合上。夹于两片等长的封装玻璃板10(外形尺寸为 40-120mmX20-30mmX0. 5_2mm)间后，置于芯片热压封装装置中的上压头和下压头之间，施 加封装压力12(常用压力3-150公斤)后于一定温度(50-120°C )下保持一段时间(5_30 分钟)，完成热压封装。热压封装后可得单十字交叉塑料毛细管电泳芯片13。本发明电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法，用于加工塑料毛细管电泳 芯片的热塑性塑料可选用有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚对 苯二甲酸乙二醇酯等。通过电热丝的排列组合可加工结构复杂塑料毛细管电泳芯片，如阵 列毛细管电泳芯片。本发明首次提出了电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法，并成功用于塑 料毛细管电泳芯片的加工。该芯片加工技术具有操作简便、设备简单和成本低的优点，不需 要昂贵的微机电加工技术和设备制作的模具由于是弹性模具，芯片成形工艺容易自动化， 在塑料毛细管电泳芯片的批量低成本生产方面有良好的应用前景。
图1为电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片流程图。图2为电热丝压印法制备的单十字交叉有机玻璃毛细管电泳芯片实物照片。图3为电热丝压印法制备的单十字交叉有机玻璃毛细管电泳芯片中分离通道与 进样通道交叉部分的显微镜照片。图4为采用电热丝压印法在有机玻璃片表面压印的开口通道断面的扫描电子显 微镜照片。图5为采用电热丝压印法在有机玻璃片表面压印的通道封装后的扫描电子显微 镜照片。图6为使用本发明技术制备的有机玻毛细管电泳芯片分离ImM钾(a)、钠(b)和锂 (c)离子标准混合溶液的电泳图谱。图中标号1为压印用玻璃片，2为用于压印分离通道的热塑性塑料片，3为电热 丝，4为压印压力，5为压印有分离通道的热塑性塑料片，6为分离通道，7为用于压印进样通 道的热塑性塑料片，8为压印有进样通道的热塑性塑料片，9为进样通道，10为封装用玻璃 片，11为钻孔后的压印有分离通道的塑料片，12为封装压力，13为封装后的热塑性塑料毛 细管电泳芯片。
具体实施例方式下面通过实施例和附图进一步描述本发明实施例1、电热丝压印法制备有机玻璃毛细管电泳芯片将厚度为1毫米的有机玻璃板裁成需要制备的芯片尺寸的小片2或7(75毫 米X 16毫米)。然后将直径为30微米的镍铬合金电热丝3 (电阻为1欧姆/毫米)通过 连接在其两端的拉簧拉紧，电热丝长度要长于塑料片的长度，为150毫米，将电热丝3置于裁成芯片大小的机玻璃片2的长边中线上，夹于两片玻璃片1 (76. 2毫米X25毫米X 1. 2 毫米)间，并在两片玻璃板1上通过油压机的压头施加压力4，施加在玻璃板上的压印压力 为1公斤/平方厘米。然后在电热丝上两端施加电压，为30V直流电；热压时间为10分钟。 电热丝由于发热使与其接触的塑料板表面软化，在压力的作用下电热丝3嵌入有机玻璃片 2的表层，冷却后抽出得压印有开口分离通道6的有机玻璃片5。按同样的方法在另一片同尺寸的有机玻璃片7上的一头加工与分离通道6垂直 的进样通道9。在压印有分离通道的有机玻璃5的通道末端和其对应于压印有进样通道的 有机玻璃片5的通道末端的位置钻直径为2毫米的溶液连接孔，得钻孔后的压印有分离通 道的有机玻璃片11，其中分离通道与进样通道交叉点到最近的三个溶液连接孔间的距离相 等。然后，将带有开口进样通道9的有机玻璃片8与带有开口分离通道的有机玻璃片5有 通道的一侧面对面合上。夹于两片等长的薄玻璃压板10 (76. 2毫米X 25毫米X 1. 2毫米) 间后，置于芯片热压封装装置中的上压头和下压头之间，施加封装压力12(50公斤)后于 110°C保持10分钟，完成热压封装。热压封装后可得单十字交叉有机玻璃毛细管电泳芯片 13，实物照片见附图2。此外，本发明还采用光学显微镜和扫描电子显微镜对采用电热丝压印法制备的毛 细管电泳芯片质量进行了检测。图3为电热丝压印法制备的单十字交叉有机玻璃毛细管电 泳芯片中分离通道与进样通道交叉部分的显微镜照片，进样通道和分离通道构成的十字交 叉完整，封装良好，无气泡和裂缝存在。图4为采用电热丝压印法在有机玻璃片表面压印的 开口通道断面的扫描电子显微镜照片，图像显示通道的直径为30微米，表明电热丝的轮廓 被良好的复制到有机玻璃片的表面。图5为采用电热丝压印法在有机玻璃片表面压印的通 道封装后的扫描电子显微镜照片，结果表明封装后通道完整，质量令人满意。本发明制作的有机玻璃微流控芯片与0-3000V高压直流电源和非接触电导检测 仪构成微流控芯片电导检测系统，已成功用于K+、Na+和Li+三种阳离子的电泳分离，获得的 lmMK+(a),Na+(b)和Li+(c)的电泳图谱见图6，测试条件为分离和进样电压为+1000V，进样 时间为2s，缓冲溶液为20mM硼酸-20mM三羟甲基氨基甲烷(pH 8. 0)，电导检测波形为正弦 波(频率为250kHz，峰-峰电压幅度为5V)，对上述测定的阳离子的线性范围为0. 05-5mM。此外，本发明还对电热丝压印法制备有机玻璃毛细管电泳芯片的热压时间和通过 电热丝的电流进行了研究。当通过电热丝的电压为30V时，测试了热压时间为5、7. 5、10、 12. 5和15分钟时通道的深度和宽度，结表明压印时间从5分钟上升到10分钟后通道的深 度不再增加，但宽度继续上升，通道变形增加，所以选择压印时间为10分钟。在此条件下， 选择通过电热丝的电压为10、20、30、40和50V，经过表明压印电压从10V上升到30V通道的 深度不再增加，但宽度继续上升，通道变形增加，故选择压印电压为30V。实施例2、电热丝压印法制备聚对苯二甲酸乙二醇酯毛细管电泳芯片将厚度为0. 25毫米的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄板裁成需要制备的芯片尺寸的小 片2或7 (75毫米X 16毫米)。然后将直径为30微米的镍铬合金电热丝3 (电阻为1欧姆 /毫米)通过连接在其两端的拉簧拉紧，电热丝长度要长于塑料片的长度，为150毫米，将电 热丝3置于裁成芯片大小的机玻璃片2的长边中线上，夹于两片玻璃片1 (76. 2毫米X25 毫米XI. 2毫米)间，并在两片玻璃板1上通过油压机的压头施加压力4，施加在玻璃板上 的压印压力为1公斤/平方厘米。然后在电热丝上两端施加电压，为30V直流电；热压时间为12分钟。电热丝由于发热使与其接触的聚对苯二甲酸乙二醇酯片表面软化，在压力的作 用下电热丝3嵌入聚对苯二甲酸乙二醇酯片2的表层，冷却后抽出得压印有开口分离通道 6的聚对苯二甲酸乙二醇酯片5。 按同样的方法在另一片同尺寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯片7上的一头加工与分 离通道6垂直的进样通道9。在压印有分离通道的聚对苯二甲酸乙二醇酯5的通道末端和 其对应于压印有进样通道的聚对苯二甲酸乙二醇酯5的通道末端的位置钻直径为2毫米的 溶液连接孔，得钻孔后的压印有分离通道的聚对苯二甲酸乙二醇酯片11，然后将带有开口 进样通道9的聚对苯二甲酸乙二醇酯片8与带有开口分离通道的聚对苯二甲酸乙二醇酯片 5有通道的一侧面对面合上。夹于两片等长的薄玻璃压板10 (76. 2毫米X 25毫米X 1. 2毫 米)间后，置于芯片热压封装装置中的上压头和下压头之间，施加封装压力12(45公斤)后 于100°C保持10分钟，完成热压封装。热压封装后可得单十字交叉聚对苯二甲酸乙二醇酯 毛细管电泳芯片13。
权利要求
一种电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法，其特征在于具体步骤为(1)将电热丝从两头拉紧，置于裁成芯片大小的矩形热塑性塑料板的长边中线上，夹于两片玻璃板间后施加压力；然后，在电热丝上两端施加电压，电热丝发热，使与电热丝接触的塑料板表面软化，在压力的作用下电热丝嵌入塑料板表层，冷却后抽出电热丝，即在塑料板表面留下开口的电泳分离通道；(2)按上述同样的方法在另一片同尺寸的热塑性塑料板上的一头加工与电泳分离通道垂直的进样通道，然后将这两片塑料片的有通道的一侧面对面合上，热压封装，即得单十字交叉塑料毛细管电泳芯片。
2.根据权利要求1所述的电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法，其特征在于 所述的热塑性塑料板的材料为有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯或 聚对苯二甲酸乙二醇酯。
3.根据权利要求1所述的电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法，其特征在于 所述的电热丝为镍铬合金电热丝或铁铬铝合金电热丝，电热丝直径为10-200微米，施加在 电热丝上的交流或直流电压为0. 5-5V ；施加在两片玻璃板上的压印压力为0. 5-2公斤/平 方厘米，热压时间为5-20分钟。
全文摘要
本发明属毛细管电泳技术领域，具体为一种电热丝压印法制备塑料毛细管电泳芯片的方法。将电热丝从两头拉紧，置于裁成芯片大小的矩形热塑性塑料板的长边中线上，夹于两片玻璃板间后施加压力。然后，在电热丝上两端施加电压，电热丝由于发热使与其接触的塑料板表面软化，在压力的作用下电热丝嵌入其表层，冷却后抽出电热丝即在塑料板表面留下开口的分离通道。按同样的方法在另一片同尺寸的热塑性塑料板上的一头加工与分离通道垂直的进样通道，然后将这两片塑料片的有通道的一侧面对面合上，封装后可得单十字交叉塑料毛细管电泳芯片。通过电热丝的排列组合可加工结构复杂的塑料毛细管电泳芯片，如阵列毛细管电泳芯片。
文档编号B29C59/00GK101890809SQ20101020927
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者姚潇, 屈卫东, 张鲁雁, 陈刚 申请人:复旦大学