（分析化学专业论文）低电压驱动模式的电泳芯片性能分析和芯片电泳过程研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 微型全分析系统( i t - t a s ) 是基于微机电加工技术( m e m s ) ，并结合分析化学和 生物化学技术，将分析过程集成在微芯片上，以实现分析系统从样品处理到检测 的整体微型化、集成化和便携化。而芯片电泳是基于在芯片上的微管道中完成电 泳分离过程的微型分离分析技术。低电压电泳芯片通过在芯片管道侧壁布置阵列 电极以降低电泳分离所需要的电压，这种芯片电泳方式能在低压下提供分离所需 要的场强，避免了使用高压电源不安全和体积庞大的缺点，更有利于芯片电泳系 统向朝集成化和便携化方向发展。本文主要进行了低电压驱动模式下的芯片设计 和芯片电泳研究，建立起低电压芯片电泳系统，考察了此系统的电学性能和分离 分析效能，并用于生化样品的分析，取得了一定的结果。 本文设计制作了硅p d m s 复合电泳芯片，考察复合芯片的电绝缘性能、伏安 曲线、电渗流等电学特性。以此为基础，针对氨基酸样品优化相应的电泳操作参数， 实验表明：在5 m m o l l - 1 ，p h - - 9 0 硼砂缓冲介质中，2 0 0 v c m - 1 进样场强下简单进 样8 s ，分离场强为1 0 0v c l n 1 ，样品分离度可达3 1 4 。以此验证所制作复合芯片的 可行性和实用性。 将控制系统、硅p d m s 电泳芯片和检测系统组成了一个完整的能够进行分离 分析的低电压芯片电泳系统。在系统上进行氨基酸样品的分离分析，考察了进样 时间、电压施加模式、电压大小和电压切换时间对分离的影响。通过参数优化， 最终选择了双边电压施加模式，进样时间l o 秒，分离电压6 0 v 的最优条件，样品 能得到完全的分离。通过总结和计算，得到了一些电压切换时间设置的方法。 根据蛋白质的毛细管电泳分离所得到的结果，溶菌酶和牛血清白蛋白之间的 淌度相差较大，理论上分离是比较容易的。但是在低电压芯片电泳上的分离效果 并不理想，分离条件如缓冲溶液的种类和浓度、蛋白质吸附、低电压相关参数的 设置都会影响分离效果。下一步的工作中，要优化相关的参数以得到更好的结果。 关键词：芯片电泳，低电压施加模式，控制电路系统，s i p d m s 复合芯片，氨基 酸分离 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m i n i a t u r i z e dt o t a l a n a l y s i ss y s t e mm t a s ) i sb a s e do nm i c r oe l e c t r o n i c m e c h n i c a ls y s t e m ( m e m s ) f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hc o u p l e dw i t ha n a l y t i c a l c h e m i s t r ya n db i o c h e m i s t r y , a n di n t e g r a t e da n a l y t i c a lp l _ o c e s so nm i c r o c h i pt om a k et h e w h o l ea n a l y t i c a ls y s t e mm i n i a t u r i z e d ，i n t e g r a t e da n dp o r t a b l ef r o ms a m p l ep r e p a r a t i o n t o d e t e c t i o n c h i p - b a s e de l e c t r o p h o r e s i s i st e r m e da st h em i n i a t u r i z e da n a l y s i s t e c h n i q u et h a tp e r f o r m i n ge l o c t r o p h o r e s i sa n dd e t e c t i o ni nm i c r oc h a n n e l se t c h e do n m i c r o c h i p l o wv o l t a g ee l e c t r o p h o r 鹤i sc h i pm a k e st h es e p a r a t i o nv o l t a g el o wb y l a y i n gt h em i c r oa r r a y e d - e l e c t r o d e si nt h es i d e w a l lo f t h e c h a n n e l t h i sc h i pc a np r o v i d e t h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yw h i c he l e c t r o p h o r e s i sl l o ( x i si nl o wv o l t a g e i ta v o i d st h e s h o r t c o m i n go fs e c u r i t ya n db i gs i z ei nh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yw h a tm a k e st h ec h i p s y s t e mf o ri n t e g r a t e da n dp k e d t h ep a p e r f o c u s e so nt h ed e s i g na n de l e c t r o p h o r e s i s o ft h el o wv o l t a g ec h i p ，l o wv o l t a g ec h i pe l e c t r o p h o r e s i ss y s t e me s t a b l i s h m e n ta n d d i s c u s s i n gt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n ds e p a r a t i o na b i l i t y f i r s t l y , s i l i c a - p d m sc e c h i pw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，o fw h i c ht h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c sc o n c e r n i n gi n s u l a t i o na n de l e e t r o o s m o t i cf l o wa n da 8w e l lt h el i n e a r r a n g eo fv o l t a g e - c u r r e n tc u r v ew e l ed i s c u s s e d t h eo p e r a t i o na n dd e t e c t i o np a r a m e t e r s w e l eo p t i m i z e da c c o r d m gt ot h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o c h a n n e la n d p r o p e r t i e so fa m i n oa c i d ss a m p l es y s t e m , s o 勰t ov a l i d a t et h ep o s s i b i l i t yo fa p p l y i n g t h e s ec h i p st op e r f o r me f f e c t i v ea n a l y s i s w i t ht h eo p t i m i z e do p e r a t i o np a r a m e t e r so f a m i n oa c i d s ，s o d i u mb o r a t er u n n i n gb u f f e rw a sp r e p a r e dt o5 r e t o o l l - ，p h = 9 0 ， i n j e c t i o nf i e l ds t r e n g t hw a ss e tt o2 0 0 v 锄。1f o rl o sl o a d i n g , s e p a r a t i o ne l e c t r i cf i e l d i n t e n s i t y w a s1 0 0 v c m - 1 w h i c hr e s u l t e d i n a r e s o l u t i o n3 1 4 0 f t w oa l n i n o a c i d s t h el o wv o l t a g ec h i pe l e c t r o p h o r e s i ss y s t e mw f l sc o n s i s t e do fc o n t r o ls y s t e m 、 s i l i c a - p d m sc h i pa n dd e t e c t o r o nt h es y s t e mf o rt h es e p a r a t i o no fa m i n oa c i d s ， i n j e c t i o nt i m e , v o l t a g e ，v o l t a g ea p p l i c a t i o nm o d ea n dv o l t a g es w i t c h i n gt i m ew c r e d i s c u s s e d t h ea m i n oa c i d sc 跹b es e p a r a t e dc o m p l e t e l yw i t ht h eo p t i m a lc o n d i t i o n s w h i c ht h em o d ed o u b l ev o l t a g ei m p o s e d ，i n j e c t i o nt i m eo f1 0 sa n ds e p a r a t i o nv o l t a g eo f 6 0 v t h r o u g hd r a w i n ga n dc a l c u l a t i o n , s o m em e t h o d sc o n c e r n i n gv o l t a g es w i t c h i n g t i m es e t - u pw e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt op r o t e i ns e p a r a t i o nr e s u l t sb yc a p i l l a r yd c e t r o p h o r e s i s ，t h em o b i l i t y b e t w e e nl y s o z y m ea n db o v i n e8 0 r u l l la l b u m i ni sl a r g ed i f f e r e n c e t h e r e f o r e , s e p a r a t i o n 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 o ft h el y s o z y m ea n db o v i n es e r u ma l b u m i ni sr e l a t i v e l ye a s yt h e o r e t i c a l l y h o w e v e r , t h es e p a r a t i o ne f f e c ti sn o ts a t i s f a c t o r yi nl o wv o l t a g ec h i pd e e t r o p h o r e s i s m a n y f a c t o r s ，s u c ha sb u f f e rt y p ea n dc o n c e n t r a t i o n , p r o t e i na d s o r p t i o na n dv o l t a g ep a r a m e t e r s e t t i n g s ，w i l la f f e c tt h es e p a r a t i o n t h en e x ts t e pi nt h ew o r ki so p t i m i z i n gt h e p a r a m e t e r si no r d e rt oo b t a i nb e t t e rr e s u l t s k e yw o r d s ：c h i pe l e e l a o p h o r e s i s ，l o wv o l t a g ed r i v e nm o d e , c o n t r o lc i r c u i ts y s t e m , s i p d m sh y b r i dm i c r of l u i d i ce h p ，a m i n oa c i d ss e p a r a t i o n m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 脚1 签字日期： 卅年6 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 獬j 导师签名： 签字日期：加年；月罗日 签字日期：参们声月j ，日 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 1 芯片电泳 微全分析系统( 斗一1 a s ) 、芯片实验室或者集成化学实验室是1 9 9 0 年提出的 分析化学的新领域，基于芯片结构的斗一1 a s 中，依据芯片结构及工作机理又可分 为微流控芯片和微阵列( 生物) 芯片，他们都依托于微机电加工技术，又都主要 服务于生命科学，但前者以微通道网络微结构特征，后者则以微探针阵列微结构 特征，微流控芯片较微阵列芯片有更广泛的适用性及应用前景，作为u t a s 的主 要发展方向微流控芯片，其目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试 样、反应、分离、检测等集成在可多次使用的微芯片上。随着微制作技术的迅猛 进步，微流控芯片相关研究和技术在2 0 世纪9 0 年代中期迅速崛起，备受人们的 关注。 芯片电泳技术是将各种管道构建在一个仅有几个或几十个平方厘米的硅、石 英、玻璃或塑料等不同材质的基片上，通过在管道网络的终端施加电压实现样品 的进样和快速分离分析的电泳技术。在分离原理上，它与常规毛细管电泳相似， 但是分离的核心元件石英毛细管变成了平板玻璃、石英、硅、塑料等芯片，其主 体由线( 毛细管) 变成了面( 芯片) ，使其有了质的飞跃，因此产生了一系列全新 的分析技术，相关的分离理论也有了新的内涵。在芯片电泳技术中两个关键要素 是电泳芯片和相应的流体驱动模式和技术。芯片因材料不同而多种多样，最常见 的为玻璃，石英和各种塑料。硅材料【l 】首先被用于制作电泳芯片，它的强度高、散 热性好、耐腐蚀，但绝缘性和透光性较其他材料差，而随着m e m s 技术的发展， 可以使用光刻或蚀刻等制备集成电路的成熟工艺进行加工和批量生产，有利于集 成阵列电极而且同时可以沉积绝缘层来避免绝缘性能差这个缺点。玻璃和石英有 很好的电渗性质和优良的光学性质，可采用标准的刻蚀工艺加工，可用比较熟悉 的化学方法进行表面改性，但加工成本较高，封接难度较大。常用的有机聚合物f 2 】 包括刚性的聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) ，弹性的聚二甲基硅氧烷【3 】( p d m s ) 和 聚碳酯( p c ) 等，它们物料成本低且生物相容性好，可用物理或化学方法进行表 面改性，制作技术和玻璃芯片有较大的区别，可能会在生物医学领域被广泛采用。 驱动模式主要还是以电驱动技术为主，其他驱动技术有压力驱动、重力驱动、离 心驱动等各种方式。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 不同驱动模式下的芯片电泳国内外研究现状 1 2 1 压力驱动和控制方式 微流体的压力驱动和控制与宏观流体的原理相似，都是依靠入口、出口和腔 体内部的相对压差驱动驱动流体，利用机械阀实现了流动控制。目前，利用压力 驱动和控制微流体归纳起来有两种方法。一种利用外部的宏观泵或注射器与微流 体管道耦合，通过前者的推动力驱动流体在微管道中流动，流体冲开管道中的阀 门被释放出，这种方法简单、容易实现、成本低，而且已经商业化，但不易小型 化是它的一个主要缺点。另一种微流体的压力驱动和控制方法是采用微机械技术 制作的微泵来提供压力。 s m i t s 4 1 最先报道了有关微机械泵的研究，而第一台基于薄膜的往复运动驱动 流体的微机械泵蟑堤在1 9 8 8 年有荷兰t w e n t e 大学的研究者提出的。该泵由一个压 电陶瓷驱动的泵膜以及入口阀和出口阀组成，薄膜泵的主要问题是输入和输出止 回阀的泄漏。1 9 9 3 年有人提出一种无阀微机械泵【6 川，其中薄膜式微泵的止回阀被 扩散器喷嘴单元代替，扩散器喷嘴单元在两个方向上的流阻不同。1 9 9 5 年，有研 究者提出一种可以前向和逆向两个方向驱动流体的微机械泵嘲，与以往的阀设计不 同在于利用阀与驱动流体的压差响应之间的相移来实现流体的双向驱动。1 9 9 6 年 德国的s t e h r l 9 1 等提出了v a m p ( v a l v e a n d m i c r o p u m p ) 的装置，其既可以当作主动阀 使用，也可以当作可两个方向工作的微泵使用。后来又出现了压电驱动微泵、热 驱动微泵【l o 】等多种不同驱动薄膜振动方式的微泵。压电驱动微型泵是通过晶体的 压电特性来驱动薄膜振动，来达到输送工作液体的目的。n g u y e n i l l 】等研制的压电 驱动微型泵是由有机玻璃和s u 8 e ”】光刻胶组成，与硅材料相比，光刻胶较低的弹性 常数使压电驱动电压低几个数量级，即几十伏的驱动电压就能满足泵的正常工作。 对于微泵的研究，逐渐从开始作为微流控系统外的一个独立器件到在芯片上 集成微泵以形成一个连续的操作系统。芯片上制作微泵和微阀虽然从芯片系统集 成角度是很好的理念，有利于形成微型化、集成化、便携化的微流控芯片分析系 统，但是传统的有阀微泵由于其结构复杂、工艺繁琐，因此无论是从技术或者成 本上看都很难集成到微流控芯片上去，而微型无阀泵由于其简单的平面结构特征 使得集成有很好的前景，因而，现在关于微泵的研究趋向于把无阀微泵集成到微 流控芯片上。 1 2 2 电驱动和控制 在微流控芯片分析系统中，电驱动还是最常用和最有效的驱动方式之一。它 通常是在储液池的两端放置外电极，通过在电极上旌加电压，在溶液中形成驱动 电场来实现微管道中的液体的驱动，这也是目前芯片电泳分析系统的主流驱动方 式。近年来，由于微机械加工技术的发展，使得芯片上集成电极成为可能，出现 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 了在芯片上利用集成阵列电极来施加电场，实现微流体驱动的方式。阵列电极的 方式主要应用在介电电泳芯片、低电压电泳芯片和交流电渗泵等方面。 芯片外置电极方式的电驱动 在微流控芯片分析系统中，利用电渗流来驱动流体在微管道中流动，是一类 较为成熟的方法，也是目前最成功的微流体驱动和控制方法之一。电渗驱动属于 致动力直接作用于流体的驱动方式，其原理是利用微通道表面存在的固定电荷进 行驱动。以玻璃基质微芯片为例，在中性或碱性p h 下，玻璃通道表面带负电荷， 液流中与其相邻的部分形成沿通道壁的带正电荷的截面一一双电层由此产生，在 通道两端施加高压，带正电荷的界面在电场作用下产生迁移，继而带动通道内界 面包裹的液流产生电渗流液体的流动。双电层厚度通常只有数十纳米，因此， 电渗泵只能在极小的微通道内工作。 h a r r i n 【”】等用电渗流来驱动流体，成功实现微芯片上的电泳分离实验，这种 技术经过不断完善，被广泛应用于生物芯片等微型化学分析系统中样品的传输和 控制；h a r r i s o n l 4 j 等在微机械技术制作的宽度为2 0 1 a n 的玻璃管道中获得的电渗流 流速达到l c m s ，典型的电渗驱动技术的流速在【1 5 】l o l l l 分加1 m 之间。s c h a s f o o r t l l 6 】 等利用5 0 v 的电压在垂直微管道的方向上产生1 s m v e m 的电势差，利用改电势 差可实现对电渗流大小和方向的控制，利用两个f l o w f e t ，甚至可以逆转单管道 中电渗流的方向。b a n c h if 【17 】等对t 型微尺度下的电渗驱动进行了模拟，对电渗流 进行了理论分析。l a u r i ee 【埔】等用电流监测法测定了几种材料微芯片上的电渗流， 得到共聚多醚的电渗流最大值在4 3 x 1 0 。4 c m 2 v - 1 s 1 ，这个值与之前报道过的熔硅毛 细管的电渗流值相近。用压印方法( w i r e i m p r i n t i n gm e t h o d ) 制作的聚苯乙烯材料、 丙烯酸材料以及用激光刻蚀方法制作的聚苯乙烯材料的微芯片的电渗流值分别为 1 8 、2 5 、4 5 x 1 0 。4c m 2 v - 1 s 1 。流速一电场强度的线性范围在l o o v c n l - 1 到5 0 0v c m l 之间，而在这个范围内，散热性能较好，能够满足一般电泳分离的需要。j a s o nl p i t t m a n 1 9 l 等对用电流监测法进行玻璃微芯片的电渗流测定中的电渗流动力学进行 了实验研究。 图1 1 静压力与电渗流模式相结合的驱动方式下 f i g 1 1 s c h e m a t i c d i a g r a m o f m i c r o c h i p w i t h p r e s s u r e d r i v i n ga n d e o f d r i v i n g 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由于采用电渗驱动和压力驱动时分别存在细胞引入困难和细胞流速难以控制 的问题，如图1 1 跟图1 2 ，姚波【2 0 1 等采用静压力与电渗流模式相结合的方式，进 行细胞的驱动和检测。首先利用页面高度形成的静压力差驱动细胞进入芯片通道， 当细胞运动到十字交叉出，受电场力和静压力两种作用继续迁移而通过检测器。 静压力较小，主要是使细胞较容易从储液池进入微管道，而电场力主要是将细胞 输送到检测器的主要动力。 图1 2 细胞驱动的c c d 图微芯片装置图 f i g 1 2t h ec c di m a g eo f c e l l s 电渗驱动相对于其它的如压力驱动有很多的优点：1 ) 一般而言，电渗流的速度 大小与管道或槽道的横向尺寸无关，易于控制；而压力流的速度除了与压力梯度有 关之外，还与管道或槽道的横向尺寸有关，为了保持一定的流速，需要考虑双重 因素：2 ) 电渗流在管道或槽道中的横向速度剖面几乎是平直的，有“平流泵，之作用， 这样的速度剖面有利于样品的分离，即使在通道内传输很长距离样品的浓度带宽 变化也很小，而压力驱动流将产生抛物线型速度剖面，沿通道横向的速度梯度比 较大，不利于样品的高效分离；3 ) 电渗流主要通过施加电压驱动带电流体，因此可 以控制电压来控制流速，利用电压的切换可以在微通道的交叉口控制电渗流的方 向，实现阀的功能。优化通道的几何结构，还可以在微流装置的不同部位产生不 同的流速。这在生化分析中，例如液体的混和及多样品的并行处理中很有用处。 对于压力等驱动方式，通常需要安装微泵、微阀等装置，在工艺加工及维修方面 比较困难。 当然，电渗流的驱动与控制也存在着一些缺点：1 ) 电渗流对管道或槽道壁面材 料和被驱动流体的物理化学性质有要求，与液体接触的表面材料必须能够提供电 荷，以形成双电层，因此它只适合一定范围内的流体和管壁材料；2 ) 产生电渗流所 需要的高电压电源会带来安全、功耗和所占空间大的问题，这不利于系统的微型 化；3 ) 电渗流尽管适合于驱动和控制狭窄管道或槽道的微量液体，但由于焦耳热问 题，它却不能高速驱动更宽管道中的流体，而这一能力在许多微流体应用( 例如样 品的预处理) 中是有必要的。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 芯片上阵列电极方式的电驱动 外置电极系统产生相应的电渗流需要高压，高压电源存在安全跟体积庞大的 问题，随着m e m s 技术的发展，能够在微流控芯片上集成阵列电极，考虑采用阵 列电极来减低微流控芯片分析系统的操作电压，使之更有利于生化样品体系的检 测。其中一种是基于阵列电极的低电压电泳芯片。这个也是本文研究的内容，将 会在下一节单独介绍。 图1 3 十字交叉阵列电极原理图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f c r o s s e dm i c r o - a r r a ye l e c t r o d e s 微流控芯片系统用于细胞介质是近年来该技术发展的一个热点。在芯片中对 细胞实行操纵和驱动的重要模式是电场力和压力【2 l , 2 2 1 ，目前基于介电电泳的细胞 操纵和驱动模式等备受关注。w m i k e a r n o l d 2 3 垮人利用介电电泳进行了细胞的隔 离和培养，通过在电极阵列上形成一个热对流细胞对定位和培育细菌产生帮助。 图1 3 及图1 4 为h a i b ol i 刎等人应用十字交叉阵列电极，利用活细胞和死细胞之 间的介电性质不同对活的和热处理后的李斯特菌进行了富集和分离，并获得了极 高的分离效率。q 姗r a m a d a n a l 2 5 l 等人利用e p 和介电电泳技术实现了微流控芯 片上细胞和微球的连续诱捕和溶解，利用这一方法可以进行d n a 样品的的预处理， 在此文中，采用的是堡式阵列电极。 图1 4 活细胞和死细胞的介电电泳富集和分离图 f i g 1 4 t h e i m a g e o f i e l e c u o p h o r e t i cs e p a r a t i o na n d m a n i p u l a t i o n o f l i v ea n d h e a t - t r e a t e d c e l l s 交流电渗驱动现象是采用电极阵列在交流电作用下的电渗流引起的。当电压 作用于电极时，在电场作用下电荷将会集聚在电极表面并且形成双电子层，极化 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的电极与双电子层和电场的切向分量相互作用，这将在双电子层上产生作用力， 从而致使流体运动。p g a r c l a - s m c h c z ，a r a m o 2 6 等人的实验中，利用非对称电 极交流电渗驱动液体，在以玻璃为基底材料的芯片上，有5 0 + 电极对，大小电极 电极宽度分别为1 0 0 p m 和1 0 肛m ，间隙为1 0 p m ，电极对之间的距离为1 0 0 1 t i n ，大小 电极电极长均为2 0 m m ，其中每一大小电极的组合被称为一个电极对。张善亮【2 7 1 等做了微流道交流电水力泵的数值模拟及优化，对流道长度为5 m m ，宽0 4 m m ，厚 度0 4 m m 的电水力泵做了优化设计的数值模拟，最后得到驱动电极宽度为0 0 1 m m ， 电极问距为0 0 2 m m 。 此外还有在微流控芯片上集成阵列电极，在微阵列电极上施加脉冲电压作为 驱动力来实现液滴传输、合并和拆分等操作的研究哪】。随着m e m s 技术的发展， 这类技术目前正以强劲势头向微流控芯片分析系统中渗透，成为关注的热点。 1 2 3 其他驱动方式 电水力驱动和电渗驱动都是由电场和流体中电荷的相互作用来产生驱动力 的，但电水力驱动( e l e e t r o h y d r o d y n a m i c , e h d ) 需要在流体或流体一固体界面诱 导产生自由电荷，通过电场与自由电荷的相互作用来驱动流体，它一般适用于导 电率极低的液体。e h d 驱动技术有多种形式，但其中两种最具代表性。一种是b a l t 2 9 等在前人研究的基础上提出的电势行波驱动的e h d 诱导泵，它的驱动力主要由在 流体一流体或流体一固体界面上诱导的自由电荷产生的。两种材料的介电常数或 导电率不同，在电极阵列上施加电压就可以在材料界面诱导自由电荷产生，但由 于电力是垂直作用在界面层的，所以直流电场或静态交流电场并不能产生驱动力， 如果在电极阵列上施加一个电势行波，下面的材料界面就会产生预制同步运动的 诱导电荷，由于材料的电荷松弛会使自由电荷的运动滞后于电势行波的运动，这 样导致的电势行波与被诱导电荷之间的位移就会产生一个作用在界面上的电表面 应力，从而驱动流体运动。另一种是r j c h t e r 【3 0 】等提出的直流电压驱动的e h d 注射 泵，它的驱动力为作用在流体离子上的库仑力，这些离子是通过电化学反应由电 极注射进流体中的，电极需要与流体直接接触，这样在电场作用下，发射电极和 接受电极之间就会产生一压力梯度，从而使得流体在两电极间流动。 从原理上讲，如果能够在固一液界面产生某种特定的表面张力梯度，就可以驱 使液体在特定的方向流动，产生这种表面张力梯度的方法有两类：一类是通过改 变固体支持面的润湿性【3 1 1 ，另一类产生表面张力梯度的方法是通过改变液体的成 分或温度梯度实现的【3 2 】。 m a n d o u 和k e l l o g g 3 3 等利用离心力来进行微流体的驱动和控制，在他们提出的 l a bc d ”系统中，采用光刻和模塑成型的方法在塑料圆盘上制作微管道网络，流 体被装载在靠近圆盘中心的供液池中，当圆盘由马达带动旋转时，流体就在离心 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 力的作用下沿着微管道网络向远离圆心的方向运动，流体速度的大小可以通过调 节马达转速来控制，而且通过控制转速，管道在盘片上的分布和几何构型可以实 现流体的混合和被动阀的功能。 r o b e r tj o h a n n 3 4 等在微芯片上利用电渗流和压力的共同作用来驱动流体，进行 粒子的分离和筛选。作者提出一种新颖的管道设计，在这种管道设计下，通过一 个简单的电源可以进行电压的设定以及进行电转换，使得流量可以转换以进行粒 子的筛选。其中的压力驱动是通过在芯片上以一定的方式在储液池上设置差异而 产生的。基于三t 型管道的设计，控制从侧面管道引入的缓冲溶液的反面水压流 来消除后压流干扰电动流和粒子分离过程。 关艳霞【3 5 】等报道了一种简单、造价低、体积小、流速稳定、可长时间连续使用 及流速易于调节的微泵的研制。它以吸水膜的毛细作用和大气蒸发相结合为驱动 力，由储液管、蓄水池、吸水膜和蒸发孔组成。此微泵具有不外接能源，运行时 间不受限制，可以任意长( 环境的相对湿度 1 0 0 ) 的优点，同时采用低成本的 传统加工制作技术，可根据需要设计出不同流速的微型泵。 重力作为流体驱动力的方法，在常规的流动分析系统中早有应用。在芯片上 采用重力驱动的优点是不需要额外的驱动力源和驱动装置，造价低廉，使用方便， 可显著提高整体系统的集成度。目前多用于芯片上连续流动分析体系。陈宏 3 6 1 等 将微流控芯片多相层流分离技术与离子选择性电极检测技术联用，利用重力驱动 的芯片多相层流分离系统，在线净化生物试样。但这些文献报道的系统均采用手 工进样方式【3 ”，不具有连续自动换样功能，换样操作繁琐费时，效率低，影响了 系统对不同试样的分析通量和实用性。为了解决上述问题，黄艳贞【3 8 】等建立了一 种重力驱动的可连续换样的微流控芯片流动分析系统，采用新型套管型换样接口 可实现连续高通量的试样引入，采样频率达8 0 1 0 0 样m 。在该系统中，采用在微 通道出口处加装引流管提高流速。此外，采用了水平通道储液池，可在较长的时 间内保持流速的稳定。 1 3 低电压芯片电泳 1 3 1 1 氐电压芯片电泳的原理 在电泳分离的过程中，施加高电压可以提高分离速度和分离柱效，改善分离 性能。因此，现有的电泳芯片的研究多集中于将较高的分离电压施加在较短的分 离通道上以获得很好的分离效果，但是较高的分离电压制约了电泳芯片向集成化、 便携式等方向发展。为了解决高电源对芯片实验室的束缚，提出了低压方式驱动 下的芯片电泳。低压电泳芯片的基本思想是用阵列电极将分离管道分成许多小的 分离区带，在一个或者几个区带之间施加电压，这样可以在使用一个较低电压的 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 情况下获得原来的场强。在低压电泳芯片中，用阵列电极将分离管道分成许多小 的分离区带，这样可以在使用一个较低电压的情况下获得原来的场强( 如图1 5 ) 。 在旌加了电压的电极对之间的区带，样品受到驱动并逐渐分离，转换电极以在分 离区带产生必需的电场强度使样品得到连续的分离。 1 3 2 低电压芯片电泳的研究进展 y u - c h e n gl i n t 3 9 , a o 等介绍低压电泳芯片的设计以及操作原理，并用有限元分析 方法来模拟单边电极、双边电极以及组合电极三种不同类型的阵列电极的电泳芯 片的电场特性。双边电极比起单边电极在管道中产生一个更加均匀的电场，组合 电极采用了单边电极的设计但是能够提供一个更均匀和更加高强度的电场。同时， 也考察了不同电极间距以及电极宽度下电场的分布情况以及电压电泳芯片电极设 计的参数。l u n g - m i n gf u 4 u 等也做了低压电泳芯片方面的相关研究，对比了常规 电压施加方式和低电压施加方式下的电势分布，模拟了不同方式下的样品节形状 和样品分离谱图( 图1 6 ) ，发现双边低压的电压施加方式能够得到形状较好的样 品节，并且样品的分离谱图与常规施加方式下的样品谱图相对吻合，而单边施加 方式下的样品节倾斜严重，样品分离谱图中样品的峰扩展严重，而且分离效果较 差。 并 ， ”叫酽 图1 5 低电压驱动阵列电极式电泳芯片示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f l o w - v o l t a g ed r i v e nm i c r o c h i p 温志渝 4 2 , 4 3 等人进行了一系列低电压集成电泳芯片的研究，首先利用在分离通 道上分段、交替、循环施加电压的方法提出了电泳芯片低电压分离的模型，进而 等根据电泳芯片模型的集成化分离过程，进行控制电路的设计和制作，利用多路 开关原理来控制电极阵列中的对应电极的通断从而在不同的时刻将分离电压施加 在对应的一对电极尚形成所需的分离场强。刘岗m 】等运用简化的低电压电泳芯片 的运动梯度场的分离和控制模型，对低电压芯片的各参数与分离度、分离效率的 关系进行了计算机模拟和讨论，提出低电压分离的电泳芯片的分离效率和分离度 主要与控制次数、循环次数、分离电压、微电极阵列数、微电极间距以及被分离 物质的淌度有关。陈里铭 4 5 j 等通过建立数学模型，对设置了阵列电极的分离管道 上的电势分布进行模拟，并且与常规的芯片分离管道的电势分布进行了对比。陈 重庆大学硕士学位论文1 绪论 超等m 4 7 j 在y i m gl i n 等人提出用移动电场控制d n a 分离的设计思想的基础 上，根据理论模拟计算，设计了线性分布式的电极阵列，介绍了以普通载玻片和 p d m s 为基本材料的芯片制作工艺，并相应开发了一套微机控制系统，以精确控 制反应中的电场的空间、时间分布，从而实时、全程控制电泳过程，并利用自制 的电泳芯片，进行了进样实验，通道流体特性实验以及d n a 分离初步实验，在通 道流体特性试验中成功看到了与理论很相符的进样图谱，得到了初步的d n a 电泳 分离的荧光显微镜图。 图1 6 低电压电泳芯片上分离d 咐a 计算机模拟电泳谱图 f i g 1 6e l e c t r o p h o e r o g r a m so f d n a $ e p l l a t i o ni nl o w - v o l t a g em i c r o c h i pb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n 至今关于低电压电泳芯片的研究，模拟阶段的研究相对较多，只有极少量的 验证性实验。而在实际的样品以上的电势分布及样品节浓度分布均是模拟的结果。 在实际的样品分离过程中，有许多的因素将会影响实际的分离效果。主要考虑到 的因素包括：1 ) 在高电压旖加方式下，管道内流体流动主要是受电渗流的驱动， 而在低电压施加方式下，由于施加电压的范围比较窄，流体运动的驱动力是否仍 然是电渗作用的结果，还是电泳作用为主导；2 ) 由于低压电泳芯片的材料多为硅 材料，硅的表面性质是否会对管道内的流体有很大的影响；3 ) 电极的切换方式； 4 ) 分离不同样品时分离条件的选择；5 ) 检测器的选择。 1 4 本论文的意义及主要研究内容 芯片电泳有着快速、高效、微量等优点。在微流控芯片电泳分离的过程中， 施加高电压可以提高分离速度和分离柱效，改善分离性能。因此，现有的电泳芯 片的研究多集中于将较高的分离电压施加在较短的分离通道上以获得很好的分离 效果。但是较高的分离电压要求的高压电源通常体积较大而且存在安全性的问题， 制约了电泳芯片向集成化、便携式等方向发展。为了解决高电源对芯片实验室的 束缚，提出了低压方式驱动下的芯片电泳。低电压驱动模式下的芯片电泳，能够在 较低的电压下获得较高的场强作为驱动力，实现样品的分离分离。而低压电泳芯 片的实现能够促使电泳芯片向集成化、便携式的方向上发展。 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 本课题在前人提出的低压电泳芯片的设计思想以及电泳芯片基本电路设计和 对低电压电泳芯片的一系列电场和流场的模拟分析的基础上，建立一个从低电压 施加和控制到样品分离检测的完整的低电压芯片电泳系统。从化学分析的角度对 低压电泳芯片进行性能评价，并通过实验考察在不同的芯片电极的布置方式、电 压切换方式、循环方式以及进样方式对样品分离的印象，最后通过所得的结果提 出低电压芯片电泳系统更合理和适用于化学分析设计要求。 主要研究内容为： 设计和制作硅一p d m s 低电压电泳芯片，考察硅p d m s 芯片的电学性能和 常规加压方式下的分离分析能力，为低电压方式下的电泳分离条件的选择提供一 定的理论依据。 选择氨基酸在低压电泳芯片上进行实验，考察了不同电压施加方式、不同 施加电压、不同的电压切换时间等各种条件下样品的分离，把不同分离条件下的 分离效果进行对比，选择最优化的条件。 选择蛋白质样品在低压电泳芯片上进行实验，考察了不同电压施加方式、 不同施加电压、不同的电压切换时间等各种条件下样品的分离，把不同分离条件 下的分离效果进行对比，选择最优化的条件。 通过实验分析，总结现有低电压电泳芯片的优缺点，提出更合理的新低电 压电泳芯片的设计要求。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 芯片电泳理论 2 芯片电泳理论 芯片电泳是一项在微细通道中，以电场为驱动力，借助离子或分子在电迁移 行为上的差异，对试样中的多组分进行高速分离分析的技术。芯片电泳中各物理 量的定义与表征均沿用常规毛细管电泳的基本概念，但由于其微管道构型和尺寸、 样品节体积和电压的施加方式，均与常规毛细管电泳有明显差异，导致两者在分 析时间、分离效能、检测限等方面均有一定差异，这将直接影响到芯片电泳应用 对象的选择与分析效能的表征。低电压芯片电泳跟一般的芯片电泳，同样是采用 电驱动的方式。一般的芯片电泳在分离管道和进样管道的两端加上合适的电压， 以获得电场进行样品的分离和进样。常规的电压施加方式下，电渗流和电泳的共 同作用下，不同的物质以不同的速度运动，最终达到分离。 2 1 芯片电泳基本概念 2 1 1 电泳及电泳淌度 在电场作用下，带电离子在介质中发生定向移动的现象为电泳。当带电离子 以速度v 在电场中移动时，所受电场力为： 兄= q e ( 2 1 ) 式中疋为电场力，q 为溶质粒子所带的有效电荷，e 为电场强度，带电粒子 运动时所受到的阻力，即为摩擦力： f = 厂v( 2 2 ) 式中f 为摩擦力，v 为溶质粒子在电场中的迁移速度，f 为摩擦系数，f 的 大小和荷电粒子的大小、形状以及介质粘度有关，对于球形粒子，f = 6 盯i r ，对于 棒型粒子，f = 4 m l r ( 其中r 是溶质粒子表观液态动力学半径；1 1 为电泳介质的粘 度) 。当平衡时，电场力和摩擦力大小相等、方向相反，所以q e = f v ，由此得到： v ：世：j _ e ( 2 3 ) f 4 z r r 或： v ：掣= 当e ( 2 4 ) j o z r r 从式2 3 ，2 4 中可知，荷电粒子的电泳速度除了与电场强度成正比外，还与其 有效电荷成正比，与其表观液态动力学半径( r ) 及介质粘度( t 1 ) 成反比。不同物 质在同一电场中，由于它们的有效电荷、形状、大小的差异，导致各自的电泳迁 移速度不同，所以可能分离，即物质粒子在电场中迁移速度的不同是电泳分离的 基础。单位电场强度e 下的电泳速度称为电泳淌度p 。，即： 重庆大学硕士学位论文2 芯片电泳理论