（物理电子学专业论文）基于阵列电极电泳芯片分析系统的研制.pdf

摘要 电泳芯片分离控制系统微型化及其片上检测是生化分析的发展方向。基于线性阵 列的电泳芯片的分析系统属于微全分析系统的一种，可对多种生物分子、离子等进行 分离检测，是种集进样、分离、检测、智能操控等功能于一体的生化分析平台，具 有微型化、集成化及操作自动化的特点。 近年研究表明，存电泳芯片上制作电极阵列，用电学方法可以精确操控微流体及 生物分子的行为，可实现低压电泳分离操作。本论文从生化分析的电控机理出发，对 已有的电泳芯片进行改进，研制其控制检测系统。研究内容包括以普通载玻片和有机 高聚物p d m s ( p o l y d i m e t h y ls il o x a n e ) 为基本材料的电泳沟道芯片的理论设计、制作 i ：艺电泳芯片的连接方式，控制系统、检测系统的设计以及控制芯片工作的单片机 程序编制，高精度检测系统的程序编制等。 控制系统以c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心，设计了一种i o 网络组合控制电路来控制5 4 根p t 电极，在i 态( 高压、接地、悬空) 之间的任意转换。键盘、液晶等人机交互接r _ | 便 于用户操作。整个系统设计体现了高度集成、低功耗、高扩展性以及自动操控等特点。 拎测系统以s c l2 1 0 为核心，采用等比例测量原理对待测对象进行高精度检测，设计 了独立的用户界面，可单独形成测量仪表。 利用电泳芯片进行了测试和初步电泳实验，证明控制系统基本实现设计功能，与 芯片能良好衔接；对电泳分离结果进行了阻抗检测实验，证明检测系统能对某些样品 的电泳结果进行高精度检测。系统的进一步研究将实现便携式生化分析系统。 关键词：电泳芯片，单片机，5 且抗检测，比例法 r e s e a r c ho nb i o - c h e m i c a la n a l y s i ss y s t e mb a s e do ne l e c t r o p h o r e s i sc h i p w i t ha r r a y e d e l e c t r o d e w a n gy i z h o n g ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o z h a oz h a n a b s t r a c t t h em i n i a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n do n c h i pd e t e c t i o nf o re l e c t r o p h o r e s i sc h i pi st h em a i n t o p i c i nb i o c h e m i c a i a n a l y s i ss y s t e mr e s e a r c ha r e a t h ea n a l y s i ss y s t e mb a s e do n a r r a y e d e l e c t r o d ee l e c t r o p h o r e s i sc h i pi so n ek i n do fl 【l t a s ( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ) i tc a nc o n t r 0 1b i o c h e m i c a lm o l e c u l e sa n di o n si ne l e c t r i c a lw a vi ti sa ni n t e g r a t i v ep l a t f o n t l f o rb i o c h e m i c a la n a l y s i s t h es y s t e mi n t e g r a t e dm u l t i p l ef u n c t i o n ss u c ha si n j e c t i o n s e p a r a t i o n ，d e t e c t i o na n da u t o m a t i co p e r a t i o ne t c an e wm e t h o do fe l e c t r i c c o n t r o lf o ro p e r a t i n gm i c r o f l u i da n db i o c h e m i c a lm o l e c u l e s a c c u r a t e l yh a sb e e nr e p r e s e n t e di nm a n yr e c e n ts c i e n t i f i cr e s e a r c h e s a r r a y e de l e c t r o d e s i n t e g r a t e do nm i c r o c h i p ，a sag o o dw a yt og e n e r a t ee l e c t r i cf i e l d ，h a v eb e e nu s e dw i d e l y t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h e o r e t i c a ld e s i g na n dt h em i c r of a b r i c a t i o np r o c e d u r eo f m i c r o f l u i d i cc h a m l e lb yu s i n ga ne l a s t o m e r i cm a t e r i a l s p d m s d i f i e r e n t t y l ：l e s o f p d m s g l a s se l e c t r o h p h o r e s i sc h i pw e r ed e s i g n e da n dp r o d u c e d 1 1 1 ec h i pc a l lb ec o n n e c t e d t op c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) t h e ni t sc o n t r o la n dd e t e c t i o ns y s t e mw a s d e v e l o p e d t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nm i c r oc o n t r 0 1u n i t ( m c u lc 8 0 5 1 f 0 2 0 5 4 p a r a l l e lp o r t s f o rc o n n e c t i n gh i g hv o l t a g es y s t e mh a v e b e e ne x p a n d e d an o v e li o n e t w o r kw a sd e s i g n e dt oc o n 订o l5 4p te l e c t r o d e st os w i t c hd i s c r e t i o n a r i l vw i t l l i n3s t a t e s h i g hv o l t a g e ，g r o u n da n df r e e s t a t e t i l ec o n t r o ls y s t e mw a sh i g h l yi n t e g r a t e d ，h i 曲1 y e x p a n s i b l ean dha dlo wpo w e rco n s u m p t i o n i t sa l s oag o o de x a m p l eo fe x t e n d i n gl a r g e n u m b e r so fp a r a l l e lp o r t st oc o n t r o lh i g hv o l t a g ea p p a r a t u sf l e x i b l y t h ed e t e c t i o ns y s t e m w a sd e v e l o p e du p o nm s ci210 t h ed e t e c t i o np r e c i s i o n i m p r o v e dg r e a t l ya f t e ru s i n g r a t i o m e t r i cm e t h o d t h ed e t e c t i o ns y s t e mh a si t so w nu i ( u s e ri n t e r f a c e ) a n dc a nb eu s e da s ah a n d h e l di n s t r u m e n t s o m ee l e c t r o p h o r e s i se x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do nt h ec h i p t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mw o r k e dw e l lw i t ht h ec h i p t h ei m p e d a n c e d e t e c t i o no fe l e c t r o d h o r e s i ss e p a r a t i o ni n d i c a t e dt h ed e t e c t i o ns y s t e m s a b i l i t yo fh i g h p r e c i s i o nde t e c t i o nf o rs om e sa m p l e f u r t h e rre s e a r c ho nth esy s t e mca nle a dtopo r t a b l e b i o - c h e m i c a la n a l y s i ss y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r o p h o r e s i sc h i p ，m i c r oc o n t r o lu n i t ，i m p e d a n c ed e t e c t i o n ，r a t i o m e t r i c 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位沦文足我本人在指导教师的指导下进行的研究 工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院电子学 研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我。同工作的合作者对 此研究工作所做的任何贡献均己在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：王潼计日期：时q 1 1 b 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定，其 中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；电 子所可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；电子所可允许 学化论文被查阅或借阅；电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论 文；电子所可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守 此规定) 。 签 名 导师签名 日期：试r 口( ) ) o 日期：多咖f 多，口 斟垆州翠 第1 章前言 第l 章前言 生物芯片技术是近年来兴起的一项综合性的高新技术，它以微机电系统技术 ( m i c r o e le c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，简称m e m s ) 和生物技术为依托，将生命科学研 究中的许多不连续过程( 如样品制备、生化反应、检测等步骤) 集成并移植到一块普 通邮票大小的芯片上去，并使这些分散的过程连续化、微型化，以实现对大量生物信 息进行快速、并行处理的要求。生物芯片种类很多，当前的研究热点之一是以各种电 泳芯片如微毛细管电泳芯片、阵列电泳芯片、介电泳芯片、凝胶电泳芯片等为基础所 构建起来的微全分析系统( m i c r 0t o t a la n a l y s iss y s t e m s ，简称ut a s ) 。微全分析 芯片将止t a s 从样品制各、分离、化学反应到检测的整个分析过程集成缩微到芯片e ， 故又称为芯片实验室( 1 a bo n c h i p ) ，其优点在于把分析化学实验室的各种功能如采 样、稀释、进样、反应、分离、检测等集成在微芯片上，实现便携化、智能性的操作， 可多次使用，具有更广泛的适用性。微全分析芯片的基本结构如图1 1 所示。 样品 样 图1 1 微全分析芯片概念示意图 由图t 1 町见集成片上检测功能的电泳芯片就是一种微全分析芯片。 1 1 电泳芯片设计 微全分析芯片佼珍贵的生物试剂消耗大大降低到微升甚至纳升级，同时分析速度 成倍提高，费用大大下降，从而为分析测试技术的大众普及创造了条件。1 9 9 8 年美国 基r 阵列电极电泳芯片分析系统的研制 m i c h i g a n 大学的研究人员”3 构建了一个完整的微全分析芯片，采用荧光检测的方法， 将微全分析系统中除了激发源、压力源和控制电路以外的所有部分通过光刻腐蚀技术 完整的制作在单个的载波片和硅衬底上。 对于普通的以毛细管电泳分离为核心的微全分析芯片，电泳过程中需要在电泳分 离沟道两端施加几千伏至3 0 千伏的高压以产生足够高的电场强度，通过电渗流驱动 分离溶液中的不同离子或者d n a 片段等生物样品。然而高压带来的诸多缺点如设备过 r 庞大、热效应太高、对实验操作人员的安全防护要求较高等已越来越不适应微全分 析芯片小而全的发展趋势。 般的电泳芯片由驱动电源和电泳沟道两部分组成。基于一种低压移动电场驱动 电泳的概念“1 ，陈超“1 、李霞等设计了一款用于低压驱动电泳的集成阵列电极芯片， 以普通载波片和有机高聚物p d m s ( p o l y d 。m e t h y l s i l o x a n e ) 为基本材料，可以精确控 制反应中电场的空间、时间分布，从而实时、全程的控制电泳过程。芯片结构如图1 2 所示。 m - 。；i 由船 阵列 a l b i_ i 1r 一i r ll l 图1 2 集成阵列电极芯片结构示意图 芯片工作原理是在普通电泳分帝寸所施加的高压电场的垂直方向制作数十根互 相平行的阵列电极，根据沿电场方向两点白j h 的电压与两点间距离成正比的原理，这样 以较低的电压产生的电场就可以达到普通电泳实验施加高压时产生的电场强度。如图 1 2 所示，任意两根电极x 、y 问施加较低的电压产生的电场与传统的电泳芯片在a 、 b 两点问施加高压所产生的电场强度相当。 第1 章前言 该阵列电极芯片需与电泳沟道芯片共同组成电泳芯片，需要设计一个微型化的 电泳分离控制系统配合使用。 1 2 电泳芯片检测方法 对于一个完整的微全分析系统，样品的p c r 扩增、样品的电泳分离都需要有非常 灵敏的检测工具来监控实验的结果。对于电泳分离样品的检测有很多种常用的检测方 法，包括光学检测法以及电化学检测法、质谱检测法、阳j 接检测法等。 1 光学检测法 荧光检测是毛细管电泳常用的检测手段之一，它的检测下限一般达到1 0 im o l 级 8 j “等，激光诱导荧光检测法( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ，简称l i f ) 的灵敏度更 高。其它的光学检测法包括：化学发光、电化学发光检测法、非荧光的光学检测法等。 光学检测法灵敏性非常高，同时可以实现实时的系统监测，缺点是设备较为昂贵 且体积较大，无法真正适应系统微型化的趋势。同时荧光检测虽能提供极好的检测效 果，但其通用性仍然较紫外检测法差，因为许多感兴趣的化合物不能显示天然荧光， 而必须用一些荧光试剂对其进行衍生，如丹酰氯等”3 。 2 电化学检测 虽然l lj ? 法能够提供分子水平的灵敏度，如前所述对丁电泳分离检测而言该系统 体积太大，减弱了由于芯片微型化所带来的好处。解决这个问题的一个很好的选择就 是电化学检测法。当将电极加工到微芯片上后，会大大提高灵敏度，同时大大降低反 应时间。 各种熟知的电化学方法原则上都可用来监测电泳分离结果，由此发展出一系列的 电化学检测方法，根据检测原理的不同又分成电位检测法、安培( 电流) 检测法和阻 抗检测法等，其中阻抗检测是最常用的一种电化学检测方法之一，将在后面进行详细 的说明。 w o o l ie y 等人设计了集成有电化学检测器的d n a 分析芯片，采用了柱后检测的模 式通过这种非直接的检测模式，对中x 1 7 4h a e i i i 的限制酶降解物进行了检测检 测精度可达2 8 z m o i “。g a v i n 和e w i n g 为在微通道内进行连续电泳分离加工出一种阵 列式的电化学检测结构，它由在微通道的出口处的5 帅的空间( 9 5 1 - 咖宽，1 2 2 咖 基丁阵列电极电泳芯片分析系统的研制 长，0 2 高) 内放置1 0 0 个铂微电极阵列组成，使用这种器件在神经递质分离电化 学检测应用中获得了成功。”。 3 质谱检测 质谱( m a s ss p e c t r o s c o p y ，m s ) 本身就是一种重要的分析手段，它将待测物质的 分子转变成为带电粒子，利用稳定的磁场( 或者交变电场) 使带电离子按照质量大小 序分离出来，形成有规则并可以检测的质量谱，对于单一组分有很强的鉴别能力。 质谱检测分很多种，其中的电喷射离子质谱( e s i m s ) 由于可以确定分子量为i 0 00 0 0 的分子，对蛋白质的鉴别显得特别有用，因此被视为和毛细管电泳联用的首选方法。 这种方法的主要问题的灵敏度不够高，难以分析缓冲液中1 0 - 1 5 1 0 _ 1 8 m o l 范围的样品 “”1 。图1 3 即电喷雾质谱的基本原理图。 掉品藩液 计数电扳 姓掸扎 j 1 撒沫器 _ l m b a r 四饭质谬分析仪 亡= = = = 1 0 - 一l o - j r n b s r 幽1 3 电喷雾质谱原理图 4 i b j 接检测 f b j 接检测是目前检测技术发展中的另一个趋势，包括间接紫外、间接荧光、间接 安培等，其中以间接紫外用的最多。间接紫外的目的是要设法把检测范围扩大到非吸 收物质，其基本点是在缓冲液中加入少量在紫外区有吸收的化合物，通常称之为问接 试剂，使之产生一个很高的本底。当无紫外吸收的离子通过窗口时，由于它们取代了 有吸收的组分，从而产生一个负峰。在使用这种方法时加进去的间接试剂的浓度要低 以避免使检测器饱和。同时由于缓冲液离子和溶质之间有不同的淌度( 这个概念详见 五 i_，、l 第1 章前言 第一章电泳原理说明部分) ，可能会遇到电弥散，造成峰型改变，前伸或拖尾。因此， 要使自“者尽量和后者相匹配。间接紫外检测的主要缺点是其灵敏度要比相应的直接检 测低1 2 个数量缴。问接荧光至今仍用的较少，主要是激光光源不稳定的缘故。间接 检测被大量用于小的无机离子和有机酸碱等的分离分析上。 5 阻抗谱检测 这里着重阐述一下阻抗谱检测。1 8 2 7 年科学家欧姆创建了欧姆定律。最初这一定 律被用来描述金属物体中输入电流和产生电压之间的关系，随后人们应用它来测量所 有材料的电阻，包括生物组织。在1 9 世纪，研究者证实了生物组织的电阻随着输入电流 频率的增加而减小这一特性。导电材料的电导率可以用欧姆定律v = i r 来表示，其中v 代表电压，i 代表电流，r 代表电阻。如图1 4 所示。 一言 ；，：o ；当：t ；3 睁善蚓叠| | | j 善3 聪瓣蠹 | 彰掣 、忑- - - ii l = l i ) oc c i ，r 址c 7 il 图1 4 导电材料电导率测量原理及流体电导测量系统原理 对于一个生物系统而言，其电导或者阻抗的变化往往会因为这个生物系统本身的 活动而改变“，所以可以根据这一特点利用欧姆定律来对生物系统的活动或者变化进 tab) 甏3 c 赫 r 审 j 图1 5 细胞导电示意图及其等效电路图 行检测。在i9 世纪末，b e r ns t e i n 提出“细胞膜理论”。他认为细胞内是导电性组织， 而包围它的细胞膜则是绝缘的，细胞膜外又是导电的细胞间质。当输入低频电流时， 山于细胞膜在低频时是绝缘体，所以电流必须绕过细胞流过。在输入高频电流时，细 基丁阵列电极电泳芯片分析系统的研制 胞膜的电容性允许电流进入细胞，这样就大大增加了细胞直接载流的能力。1 9 1 0 年 h o b e r 的实验支持了这一理论。他发现将红细胞的细胞膜破坏掉之后，血液样本的电阻 大大减小，也就是说细胞内液的导电性很高，当没有细胞膜的时候，它起主要的载流 作用。事实上w n c e n ts e n e z 1 等的研究结果也表明，细胞溶液等效电路如图1 5 所示。 电子阻抗谱测量应用非常广泛，其原理就是利用生物细胞、分子的导电模型，对 待测系统施加一定频段的信号( 通常为2 0 0 h z 一2 m h z ) ，然后测量该系统的增益和相变从 而对系统的物理属性做出判断。目前不仅用于生物颗粒的检测，还可测量生物颗粒的 尺寸；甚至可以用于检测生物细胞的形状，细胞膜的表面形态等“。 对于流体而苦，其截断面与细胞的等效电路是一样的。而当生物分子或者离子等 颗粒流经检测的截断面时，其阻抗会有较为明显的变化。因此采用阻抗谱的方法，不 仅可以检测微流体芯片中的生物成分，还可以区分各种不同的离子。 表l | 1 不同检测方法的比较 检测原理质量检测极限浓度检测极限优缺点 m o lm o l l 紫外1 0 1 。一1 0 1 81 0 一一1 0 ”通用性强；快速扫描 包括二极管阵列和硅光电倍增管，可 提供很多信息 荧光1 0 “3 1 0 1 71 0 一1 0 - 9灵敏，但通常样品要衍生 柱上衍生 8 1 0 “6 柱后衍生2 1 0 “ 激光诱导荧 1 0 “2 1 0 。1 0 “。一1 0 “极其灵敏，但通常样品要衍生，价格 光高 安培 1 0 一”一1 0 1 91 0 - 1 ”一1 0 _ 1 1灵敏，有选择性但通常只用于电活性 物质分析，需要专门的电器元件和毛 细管改性 阻抗 1 0 一”一l o “6l o 一l o “ 通用，但需要专门的电器元件 质谱 l o 一“一一1 0 一。71 0 一l o “灵敏，并能提供结构信息，但是与电 泳芯片之间的接口复杂 第1 章前言 表l 1 对卜- 述不同的检测方法进行了扼要的比较。 1 3 国内外阻抗检测研究 。一f i ut ( r 1 一 r 2 5 c l m j 罗- 一运 m ”“ 墓 萋 囊 削1 6 集成金电极微通道的阻抗测量系统图1 7 二种测量条什r 的增益和相变 在阻抗谱检测方面，h ，e d w a r da y l i f f e e ”1 等设计了集成了一对会属电极的微通道 系统，并分别测量了i o o h z - - 2 m h z 的电压条件下，微通道通过空气、水以及不同浓度的 磷酸溶液时的阻抗。由图1 7 可知三种情况下所测得阻抗有明显差异。s w o m i i r ak m o h a n t y ”1 等则设计了一套多对电极的阻抗测量系统。采用类似的方法用h p 4 2 9 4 阻抗分 析仪分别测量了4 0 h z 一3 m h z 电场下微通道内空气、磷酸溶液以及牛眼细胞溶液的阻抗和 相位。图1 8 为该系统的示意图以及所测量出的阻抗。这两个小组所构建的系统原理基 本相似，都是在阻抗分析仪的基础上构建整个系统，利用阻抗分析仪提供恒定的电流， 然后测量电极两端的电压并用阻抗分析仪对相位进行校正。 来自u n iv o f s i t yo fw a s h i n g t o n 的x i a o b e il i 在他的学位论文中阐述了他所做的工 作”。他研制了一个以测量等效电容为主要目的的阻抗测量系统，自行编制了用以计 基j 阵列电极电泳芯片分析系统的研制 a 撩呻l 艇雌i e 啼1 ，一0 皤崎i e n q b _ 瞩，# 埘 图1 8 多电极阻抗测量系统及测量结果( 阻抗) 算分析目标阻抗及控制实验操作的软件。他所开发的系统已经成功的用在一家食品生 产企业的生产线上，用作实时监控饼干烘焙前的湿度。l i 的系统没有用到阻抗分析仪， 他把阻抗分析仪的作用用自己编制的软硬件系统代替，朝最终实现整个分析系统的微 型化迈进了一大步。 对于生物分析系统的阻抗谱测量的更进一步的应用是阻抗成象，j o s e p hr s t e l t e r 等m i 设计了一套化学、4 生物系统阻抗成象系统。他们构筑了一个长方形的 图1 9 电极阵列中两对电极示意图及所成灰度图与实际溶液照片对比 电极阵列，而后将各对电极间所测量得到的阻抗值归化，以此作为灰度图上该位置 的灰度。他们所得到的结果与显微镜中所看到的待测溶液特征是一致的。 当单对电极施加一定强度的电场时，溶液中的离子就会向相反极性的电极移动并聚 集在电极周围形成相同强度的反方向电场以达到平衡，这种现象称为双层效应( d o u b l e l a y e re f f e c t ) 或极化效应，其等效电路如下所示。上述的研究中几乎都是以单对电极 通电压或电流的方式束确定待测对象的阻抗，所以测量前需要先测定其等效阻抗的大 小。为消除极化电容的影响， v i n c e n ls e n e z 等i 设计了四电极的阻抗测量系 囝三 一 心t l 嚣 一 第l 章前言 t o s ts p e 咖e n 图l1 0 烈层( 极化) 效应示意图 统。该系统设计了两个远离供电电极的测量电极因而可避免双层效应的阻抗。其测量 原理及测量结果的理论值如图1 1 1 所示。 向秣月。饥 q 剀l1 1 四u 极测量原理示意图及系统阻抗理论计算值 国11 2 实验用s o l a r t o n1 2 6 0 阻抗分析仪及测量系统框图 同时这个小组也开发了一套测量分析阻抗并对测量过程进行控制的系统如图1 1 2 所 示。虽然在测量原理上有了进一步的发展，不过这个系统仍然依赖于阻抗分析仪因而 未能实现微型化检测。 困内在生物复阻抗检测方面的研究相对较晚，大部分集中于医疗领域，其测量方法 与国外类似，即使用阻抗分析仪来构建测量系统。其研究方向也基本上倾向于生物组 9 量t鬈e甚t崔5 基了二阵列电极电泳芯片分析系统的研制 织的阻抗测量，偏向于宏观。付峰等1 2 0 1 设计实现了套四电极法生物组织复阻抗谱测 量系统，并利用该系统分别进行了家兔和犬的部分在体组织、离体组织l o o h z 一1 0 m h z 频 段内复阻抗谱的测量，分别得到了不同组织复阻抗谱的特征频率、低频电阻及高频电 阻等特征参数( 如表】2 ，表1 3 所示) 。 表1 ，2 部分兔离体组织复电阻抗特性参数 目2 41 5 s6 l i j 4 = 7 5 甜1 3 j 叫i v ，2 5嗣s! 抛3 科扎os ，i j 幽1 - 艮i 雏 。i6伪g2 籼2 。 3 7 ，n4 5 芏! 3 i b2 q l3 1 64 3 2 。2 土s 6 03 i l 咛 表1 3 部分犬离体组织复电阻抗特性参数 了习露露r ! 叮一_ 1 丽i 蠢丽砸f 干弋耳雨三= 厅r 一 ；2 靠善j5 矧j 删2 了1 5 j 蛸7 l i ： 1 73 【翻4 靠抟j = 7 靠1q 出5 7 3 如脚sj 1 矗j e j ：4 j 27 ：2 鼻 1 骢2 描笛l3 斛妈l js ，芝2 ； l 2 4、t f 13 1 xj j ：9 下92 4 = i 3 1 4 本论文研究目标 综上，微量进样的芯片实现阵列电极控制较为符合生化分析微型化的发展趋势，这 方面陈超1 等已经做了很多工作，设计制作了能够控制低压电泳的阵列电极芯片。对 于生物细胞、分子、d n a 分子的检测，从上述材料中可以发现，现行的生物检测原理中， 阻抗检测是最合适实现微型化的一种手段。纵观阻抗检测方面的研究可以发现阻抗检 测分为单对电极检测及四电极检测两种，测量原理基本为测量待测对象在不同频率电 场下的响应而计算出该频率范围内的阻抗，而后在获得阻抗的基础上对待测对象的性 质进行相应的判断。上述的研究中基本以获得测量对象的较为准确的阻抗为目标，所 以乒能借助复杂的阻抗分析仪或者自行编制p c 机上运行的较为复杂的软件，系统均较 为庞大。对于电泳分离结果的检测，需要摸索一套简化的适于微控制器实现的算法， 方有可能实现电泳芯片分析系统的微型化。 基于上述研究背景，我们提出“基于阵列电极的电泳芯片的分析系统的研制”课 题，研究生物分子、各种离子在电场控制下的输运、分离等操作，同时研制相应的硬 0 第1 章前言 件控制系统，用于分离结果分析的阻抗检测系统，以及微弱电流、电压信息采集及控 制等软硬件的丌发。 研究的主要目的是对已有的线性阵列电极芯片进行改进，设计符合实际需要的电 泳沟道芯片，设计制作相关的控制系统及阻抗检测系统，使系统成为广谱的生化分析 平台，传统的生物化学分析过程能够在芯片上完成，包括生物样品的采集、处理、分 离、提取及检测等；系统应用范围宽，不仅可以对生物分子、细胞等进行操作和分析， 而且可对一些典型的离子进行分离检测。 研究的主要内容包括电泳沟道芯片的设计、微加工，集成化、智能化的自动控制 系统的构建以及整套控制检测系统的整合和应用研究等。 论文分五章，第一章对生物芯片尤其是微全分析系统的控制、检测方法等方面的 内容进行了综述，阐明了论文的研究背景以及研究目标：第二章介绍了电泳沟道芯片 设计及工艺制作过程，结合实验结果对芯片的结构材料等进行了改进。第三章介绍了 用于控制微流体芯片的系统，包括主要的硬件构成，系统各大功能模块的构建，整个 系统的控制方法等。第四章介绍了用于分析电泳实验结果的阻抗测量系统，包括测量 原理、硬件构成等。第五章介绍了用该芯片进行实验测试和研究的结果与讨论，包括 电泳分离实验、阻抗检测的研究等。第六章是对整篇论文工作的总结，概述研究工作 的主要内容以及研究成果，指出工作的创新之处，并对进一步的研究和发展做出展望。 蕞t - 阵列电极电泳芯片分析系统的研制 本章参考文献 1 m a r ka b u r n s ，e t c ，a ni n t e g r a t e dn a n o l i t e rd n aa n a l y s i sd e vjc e ，s c i e n e e ，v o 2 8 2 ( 1 6 o c t 1 9 9 8 ) 4 8 4 4 8 7 2 jv c l i n ，d e si g no fl o wv o l t a g e d r i v e nc a p i1l a r ye l e c t r o p h o r e s i sc h i p su s i n gm o v i n g e l e c t r i c a lf i e l d s ，s e n s o r sa n da c t u a t o r sb ，8 0 ( 2 0 0 1 ) 3 3 4 0 3 陈超，等，线阵电极电泳芯片的单片机控制系统，传感器技术，9 ( 2 0 0 3 ) 4 李霞，温忠渝，李星海，彭述成电泳芯片的低电压分离模型及相应的控制系统微纳电子技术 7 ，2 0 0 3 5 d yc h e n ，hp s w e r d l o w ，h rh a r k e ，j z z h e n g n j d o v i c h i ，j c h r o m a t o g r ，5 5 9 ，2 3 7 ( 】9 9 1 ) 0 yc h e n ，kt d a l b e l m ，xlc h e n g ，n j d o v i c h i ，a n a l y s t ，1 1 93 4 9 ( 1 9 9 4 ) h a n d b o o ko fc a p i l l a r ye l e c t r o d h o r e s is ，e d i t e db yj a m e s pl a n d e r s ，c r cp r e s s ，1 9 9 4 w o o l i e y ，a t ：l a o ，i q ：g l a z e r ，a n ：m a t h i e s ，ra c a o i i l a r ye l e c t r o p h o r e s i s c h i p sw it hi n t e g r a t e de l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o n a n a l c h e m 1 9 9 8 ，7 0 ：6 8 4 6 8 8 9 p e t e rf g a v i na n da n d r e wg e w i n g c h a r a c t e r i z a t i o no fe l e c t r o c h e m i c a la r r a y d e t e c t i or 1f o rc o n t i n u o u sc h a n n e le 1 e e t r o p h o r e t i cs e p a r a t i o n si em i c r o m e t e ra n d s ub m i e r o m e z e rc h a n n e ls a n a l c h raw a l l i n g f o r d ，a ，g e w i a g ， m jf i e i s o w bng r e e n ，b i o s p e e d ? r o s e ，i wj o r g e n s o n ，a n a l e m 1 9 9 7 6 9 ：3 8 3 8 3 8 4 5 a n a lc h e m ，1 0 8 7 ，5 9 ，1 7 6 2 v gb i o t e c hn o1 c h e m ，1 9 8 8 ，6 0 ，6 4 2 1 3 ：a rl h o n yg u is e p p i e 1i e p r i n c i p l e so fi m p e d i m c t r i cb i o s e n s o r s ，b i o s e n s o r sa n d b i o e l e c t r o n i cd e v i c e s o c t o b e r0 3 2 0 0 2 1 4 i n c e n ts e n e z ，t a k a t o k iy a m a m o t o ，t a t s u h i r of u k u b a ，s h i n s u k es u t ，j e a n 一妇r c c a p r o n ，s e r g eo s t r o v i d o v ，t e r u of u j i i p d m sb a s 叻m i c r o e l e c t r o f l u i d i cd e v i c e sf o r i m p e d a n c es p e c t r o s c o p yo fs i n g l ec e l l sa n dt i s s u e s 1 5 b r u c eko a ea n da b r u n of r a z i e r e l e c t r ic a li m p e d a n c e s p e c t r o s c o p ) p a r t i c l e d e t e c t o rf o ru s ei nm i c r o a n a l y s i ss y s t e m s 1 6 t t e d w a r da y l i f f e ，a b r u n of r a z i e r ，r dr a b b i t t e l e c t r i ci m p e d a n c es p e c t r o s c o p y 2 第1 章前言 u s i n gm i c r o c h a n n e lsw i t hi n t e g r a t e dm e t a le 1 e c t r o d e s 17 s w o m il r akm o h a n t y ，s u r e n d r akr a v u a ，k a t h e r i ne n g is c h ，a b r u n of r a z i e r m i c r o e 1 e c t r i c a li m p e d a n c es p e c t r o s c o p yo fb o y i n ec h r o m a f f i nc e l ls 1 8 x j a o b e il j i m p e d a n c es p e c t r o s c o p yf o rm a n u f a c t u r i n gc o n t r o lo fm a t e r i a 】p h y s i c a l p r o p e r t i e s 1 9 j o s e p hr s t e t t e r ，u l r i k eg s p e l w i l lj a m r p e n r o s e ，l m a n n oi m p e d a n c ei m a g i n go f c h e m i c a la n db i o c h e m i c a ls y s t e m s t h el l t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i d s t a t e s e n s o r sa n da c t u a t o r s ，m u n i c h ，g e r m a n y ，j u n e1 0 1 4 ，2 0 0 1 2 0 付峰，董秀珍，臧益民，尤富生，史学涛，刘锐岗生物组织复阻抗谱测量系统设计及实现医疗 p 生装备2 0 0 3 ，0 7 2 1 陈超，等，基丁线性阵列电极电泳芯片的智能控制系统，微纳电子技术7 ( 2 0 0 3 ) 3 基j j 阵列电极电泳芯片分析系统的研制 第2 章电泳芯片设计及制作 2 1 毛细管电泳基本理论 传统的毛细管电泳芯片系统结构如图2 1 所示。 。- 。- + + 。- - 。_ _ * 。- 。- 。+ _ 1 ls a m p i e ： 2s a m p ew a s t d 图2 1 常见的毛细管电泳芯片系统示意图 由图2 1 所示，电泳芯片中1 、2 为进样池和样品废液池，1 、2 阳j 为进样沟道；3 、 4 为缓冲液池和腹液池，3 、4 问为分离沟道。系统通过电压控制和数据处理单元输出 高压控制电泳，利用p m l 对电泳分离结果进行检测，将检测结果反馈到控制系统。 2 1 1 电泳原理 在半导电流体中，荷电粒子在外电场作用下的泳动现象叫电泳( e l e c t r o p h o r e s i s ) 。 电泳的基本原理相当简单，当一荷电粒子置于电场中时，它受到一个f 比于它的有效 电荷( q ) 和电场强度( e ) 的力( f ) 的作用 f = q e ( 2 1 ) 在电场作用下荷电粒子以速度( v ) 作平移运动，与此同时它又受到一个与其速度成 正比的粘滞阻力( f ) 的作用，即 f ，= f v( 2 2 ) f 为比例常数，称为平动摩擦系数，与粒子大小和形状有关当这两个作用力相对 1 4 第2 章电泳芯片设计及制作 平衡时，f = f ，粒子以稳态速皮( v ) 运动，于是， v ，= q e f ( 2 3 ) 对于球形粒子，f 由出s t o k e s 定律给出， f = 6 nr( 2 4 ) 式中n 为介质粘度，r 为表观液体动力学半径，式( 2 3 ) 写作 v ，= q e 6 nr ( 2 5 ) 用荷电粒子的z a t a 电势( 。= q er ) 来表示为 。，：堕e ( 2 6 ) 6 翮 出此可见，荷电粒子在电场中的迁移速度，除了与电场强度和介质特性有关外， 还与粒子的有效电荷及其大小和形状有关。因此、粒子的大小与形状，以及其有效电 荷的差异，就构成电泳分离的基础。 因为电泳速度与外加电场强度有关，所以，在电泳中常用淌度( m o b i l i t y ，u ) 而不 是用速度束描述荷电粒子的电泳行为与特性。电泳淌度( u 。) 定义为单位场强下离子的 平均电泳速度，即 p 。= v e( 2 7 ) 2 1 2 电泳分离效率及电泳芯片设计优化 电泳中的分离效率用理论塔板数n 表示，理论表达式“”为 ：旦( + (28)2dl “q 。 其中i l 施加电压，厶一毛细管长度