微流控芯片電泳門進樣方式的改進研究

陳娟 鮑雨 徐遠清 李勤 鄧玉林 耿利娜*

（北京理工大學生命學院，北京 100081）

1 引言

微流控芯片電泳是在玻璃、石英、硅、塑料等芯片的微細通道或色譜柱中，以電場做為驅(qū)動力，借助于離子或分子在電遷移或分配行為上的差別，對復雜試樣中的多種組分進行快速分離的分析技術(shù)。它是以毛細管電泳為核心技術(shù)、以芯片為操作平臺迅速發(fā)展起來的，并且成為微全分析系統(tǒng)和芯片實驗室的主流技術(shù)[1]。

微流控芯片電泳主要的進樣方式有流體力學進樣和電進樣進樣。流體力學進樣方式具有一般的進樣精度，但進樣裝置較復雜，不易操作，重現(xiàn)性較差；電動力進樣方式主要包括懸浮進樣、收縮進樣和門進樣。這種進樣方式較易操作控制，附加設備少，因此使用較為普遍。其中，不同于懸浮進樣和壓縮進樣的進樣量取決于十字交叉處的體積大小決定，而門進樣不需要改變通道結(jié)構(gòu)，通過改變電場強度以及加電進樣的時間，即可調(diào)節(jié)進樣量，所以在分離分析低濃度樣品時，門進樣方式具有優(yōu)勢。在目前文獻報道的微流控芯片電泳分離系統(tǒng)中，按試樣引入裝置的結(jié)構(gòu)不同，試樣引入系統(tǒng)主要可分為固定貯液池式、流通池式、取樣探針式三種，其中基于固定貯液池的試樣引入系統(tǒng)是目前芯片毛細管電泳系統(tǒng)以及各種微流控系統(tǒng)中采用最多的系統(tǒng)[2]。但是實驗發(fā)現(xiàn)，進樣量越多，或者隨著電泳進行較長時間，不同儲液池中液體的液面高度差增大，因此壓力流的影響逐漸增大。本文就改進門進樣的方法，以減少壓力流的影響進行了研究。

2 實驗部分

2.1 試劑和儀器

熒光素鈉、Tris購自北京拜爾迪生物公司；勻膠鉻版（型號：SG2506）、拋光片購自長沙韶光鉻版有限公司；微流控芯片電泳分析系統(tǒng)：XCDY系列微流控芯片智能高壓電源購自山東師范大學，熒光檢測系統(tǒng)購自杭州賽爾泰科技有限公司。

2.2 芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)

芯片尺寸：2.5英寸×2.5英寸，材質(zhì)：玻璃，通道結(jié)構(gòu)：十字交叉，通道橫截面：半橢圓形，通道寬度為80 μm，深度為30 μm，通道尺寸：分離通道長40mm（從十字交叉處到緩沖液廢液池為35 mm），進樣通道長20mm（從十字交叉處到緩沖液池和樣品廢液池均為10 mm）；

刻蝕方法：刻蝕液為HF：NH4F：HNO3=1：0.5：0.75（摩爾比），刻蝕溫度為40℃，刻蝕時間為20min。

2.3 實驗方法

門進樣過程分為3步實施：（1） 上樣前，樣品池和廢液池都接地，樣品池和緩沖液池分別施加一定的電壓，使緩沖液從緩沖液池同時向緩沖液廢液池和樣品廢液池兩個方向流動，“門”關(guān)閉；（2）上樣時，緩沖液池和樣品廢液池懸浮，在含樣品使用濃度為0.25μmol/L熒光素鈉的樣品池施加電場，“門”開啟，樣品進入分離檢測通道；（3）“門”開啟70秒后，各儲液池恢復至上樣

前的配置，樣品導入分離檢測通道，取樣開始，同時為下一次進樣做好準備。各步電壓設置如下表1所示：

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省略門進樣第一步的方法即是將上樣前的預備狀態(tài)除去，直接進入上樣狀態(tài)。

3 結(jié)果與討論

在簡單的十字交叉通道中門進樣方法的首先進樣方式采用經(jīng)典的門進樣方式（進樣方式如圖1所示）

在進樣時間為70秒，進樣電壓為1000V的情況下，隨著進樣時間的延長到一定程度，電泳流出物的峰形畸變明顯，（圖2），另外，當進樣時間固定時，隨著電泳時間的延長，電泳譜圖的基線也不斷抬高。分析原因，隨著進樣量越多，則進入BW池的液體越多，而BR池的樣品量減少，同時隨著電泳時間延長，BW池與SR池的液面高度差越大，因此與電泳電滲反向的壓力流的逐漸增大，最終導致樣品條帶紊亂。

我們采用Comsol script 1.3分別對沒有壓力流（圖3上圖），以及分離通道中有一定壓力流存在下（圖3下圖），樣品進入分離通道情況進行了模擬，如圖3所示，塞式的樣品條帶被壓力流破壞，甚至部分樣品反向流動，再次經(jīng)過熒光檢測器的檢測點，容易導致亂峰。

為了減少門進樣中SR貯液池與SW和BW貯液池的液面差，如圖4所示，我們采用省略門進樣第一步的方式進行上樣，即第一步即采取一定的加電方式將樣品導入分離通道，通過上樣時間控制上樣量，之后電極施加電壓切換，樣品條帶在分離通道進行電泳分離。

實驗表明，和同樣上樣時間的門進樣相比，改進方法的電泳譜圖的是一個單峰，并且基線平穩(wěn)（圖5）。由于減少了正常門進樣第一步中SR貯液池中樣品的流出，這樣也減少流入SW和BW貯液池的液體量，因此減少了不同貯液池中液體的液面差所帶來的壓力流影響。

4 結(jié)論

本文在進行熒光素鈉的微流控芯片電泳過程中，通過省略門進樣第一步的方式上樣，該方法除了具備門進樣的優(yōu)勢外，還可以減小由于樣品池和緩沖液廢液池的液面高度差帶來的壓力流的影響。結(jié)合其它方式還可以進一步降低不同貯液池的液面差，比如不同貯液池的起始裝填的液體量不同，在硬件方面，可以增大貯液池的直徑，使用更小內(nèi)徑的通道等方式改進。我們將對此繼續(xù)進行考察。

[1]Dolnik, V. and Liu, S. R., Applications of capillary electrophoresis on microchip, J. Sep. Sci. 2005, 28, 1994 – 2009

[2]何巧紅，方群，方肇倫，微流控電泳分離的試樣引入技術(shù)新進展，分析化學，2006（5）729 -734