芯片式薄层电解池毛细管电泳联用技术研究

茹立军，李文有

酒泉职业技术学院，甘肃酒泉 735000

毛细管电泳技术发展至今已经走过了几个世纪，早在1981 年，就已经有研究人员使用75pm 熔融石英毛细管作为分离通道，将氨基酸进行了快速、高效的分离，此外还根据色谱理论对毛细管区带点臃肿所出现的谱带分散过程进行了系统的解释，形成了现代毛细管电泳。毛细管凝胶电泳以及毛细管等电聚焦法是由Hjerten 在1983 ～1985 三年间先后提出的，这两种方法对于分辨效率的提高起着非常关键的作用，同时也实现了自动化操作。下面在介绍几种重要的毛细管电泳分离模式：

1）毛细管区带电泳

毛细管电泳使用最为广泛的就是该分离模式，它是根据不同荷质比的组分在充满电解质溶液的毛细管中，在电场作用下所形成的淌度不同而实现分离的。这种分离模式虽然适用性很大，但是该模式不能够用于中性物质的分离。因为中性物质的淌度差为零，不满足该分离模式的分离原理。

2）毛细管凝胶电泳法

该分离模式是毛细管电泳中分离效率最高的。想毛细管中注入粘度大且抗对流的凝胶后，可以进一步的降低溶质扩散程度，把谱带的展宽限制在一定范围内。这样就可以得到一个非常尖锐的峰型，而且所形成的住效也极高。此外，由于凝胶的存在，溶质在毛细管壁上的吸附也将得到一定的控制，可以进一步的减少电渗流。该分离模式最大的缺点就在于柱制备较为困难，而且使用寿命较短。

3）毛细管等速电泳

该分离模式的分离原理也是基于样品组分在电场作用下所形成的不同电泳淌度。使用该分离模式需要两种还有不同电泳淌度离子的电解质，将样品组分放置于两种电解质的交界面上，就可以在电压的作用下，实现样品组分在两种不同离子间的移动分离。

微流控芯片是一种实验装置，它属于微机电加工技术应用范畴。实际上，微流控芯片就是在硅、石英、玻璃或者高分子聚合物等介质上，加工出的微管道、微反应器、微小电极等能够实现某些功能的微小装置。在具体应用中，微流控芯片可以对生物或者化学成分进行纯化、反应、萃取、分离等操作。微尺寸效应是微流控芯片工作的理论基础，微管道网络是其应用时的基本特征，微流体是其实际应用过程的直接核心。芯片毛细管电泳就是基于微流控芯片平台的可以对样品中的多个目标实施分离的一种技术，它的分离通道就是在硅、石英、玻璃或者高分子聚合物等介质上所加工出来的微通道。相较于传统的毛细管电泳技术而言，芯片毛细管电泳具有以下几点优势：

1）散热性好、可控性及分离效率高：微流控芯片的导热系数可以达到1.4W/m.k，具有非常好的散热性，所以对于微流控芯片而言，不用过多的考虑因高压所引起的热量上升问题。此外，微流控芯片还可以控制进样过程，保证样品在可控速度、可控距离的前提下进行分离；

2）可以进行高通量分离分析：实际应用中还可以对微流控芯片的表面进行更为高密度的阵列分离通道加工，以实现样品高通量的分离分析；

3）有利于商业化进程：微流控芯片可以在高聚物材料上进行加工，并且能够一次成型毛细管电泳芯片，这对于芯片的商业化发展非常有利。

下面简要介绍一下芯片薄层电解池-毛细管电泳联用装置的设计方案。

1 设计的基本思路

1）方案一

（1）选用玻璃作为芯片材料，玻璃的电渗行以及光学特性均较好，同时像玻璃这种透明介质，可以对芯片内液体的流动进行实时的观察，而且相比较其他介质而言，价格较低。使用光刻技术对玻璃进行加工，制造玻璃芯片微通道。所谓光刻技术，就是利用光成像以及光敏胶的原理，在微流控芯片上实现图形化。

（2）对于薄层电解池而言，这里设计成三电极体系（工作电极、对电极、参比电极）。这三个电极的相互位置以及相互之间的连通通道一定要进行合理的设计规划，而且通道的阻抗系统一定要尽量的降低。为了实现短时间内迅速完成样品耗竭性电解，一定要将薄层区的厚度降至最低。

（3）芯片将薄层电解池以及毛细管电泳的进样接口集成在一起，并将接口的位置进行了合理的设计规划，尽可能的减少了死体积的出现。

2）方案二

（1）使用高分子聚合物聚二甲基硅氧烷PDMS 作为芯片的制作材料。PDMS 非常耐用，具有一定的化学惰性，不易被反应，而且该聚合物无毒、生产成本低，PDMS 是一种固化型聚合物。我们使用光刻胶的方法制作一个模具，之后在模具上固化液态的高聚物，从而制作出PDMS 微芯片。这个过程可以称之为模塑法制作微芯片。

（2）传统电进样过程出现了比较严重的电歧视情况，所以在本实验中所使用的进样方式是压力进样。压力进样的方式大致可以分为以下三种，即加压进样，也可以称为正压进样；减压进样，也可以称为负压进样；高差进样，也可以称为虹吸进样。所谓正压进样，就是在样品溶液池的上空加以正向压力，促使样品进入毛细管或者微流控通道；所谓负压进样，就是在毛细管的另一端，通过抽吸来促使样品进入毛细管或者微流控通道，这种方式也可以看做是降低了样品溶液池上方压力；所谓高差进样，就是利用高度差来促使样品进入毛细管或者微流控通道，本实验中是将毛细管的一端先插入样品池，然后将样品池的位置升高，使得毛细管两端出现一定的高度差。

2 芯片通道的形成

制作芯片通道所选用的芯片材料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），其是一种很常用的热塑性塑料。将微通道设计为T 字型，控制毛细管外径在400μm。T 通道的四个臂与通道底面是分离的，之所以这样设计是为了能够顺利的进行脱模操作。同时在通道的左侧壁以及下壁上，设计了四个小正方形结构，用于壁与底片的固定。电解槽的左侧还设计了一个参比电极槽，以满足三电极体系的要求；同时还设计了一些应用固定芯片的装置，是为了能够更好的将芯片进行固定。反应固化的过程可以简述为：将两根毛细管放置在模具0.5mm 孔处，同时将它们搭在与小圆柱体相同高度、相互交叉放置的一个搭片上，且对接两根毛细管。按照50:1:1 的比例还配置乙烯基硅油、含氢硅油、催化剂三种溶液的混合液，并将这种混合液涂抹在T 通道的四壁上，将四壁与通道底面进行粘合。之后放在80℃的烘箱中实现四壁与地板的反应固化粘结。之后在模具中，先加入10g 乙烯基硅油与0.2g 含氢硅油搅拌均匀，再放入0.2g催化剂搅拌2min。脱模过程首先要做的就是抽真空操作，之后放置于80℃的烘箱中进行反应固化。这个过程大约需要3h，在固化之后，要先冷却至室温才能进行脱模操作。经过实验可以发现，使用PMMA 来制作芯片通道可以很好的进行脱模操作，同时所制作的芯片性能也较好。

3 芯片电泳测试

1）基线测试

将芯片的缓冲液池以及两个通道中均加入缓冲液。该实验所用缓冲液是20mmol·L-1，且PH 值为9.0 的硼砂缓冲溶液。对缓冲液池施加20KV 的高压，并将缓冲液池的D 端可靠接地，就可以测量到一个波长为200nm，毛细管有效长度为50cm 的芯片基线。

2）进样测试

该测试所用样品溶液的制作：将1.0×l 0-2mol·L-1槲皮素母液溶解在乙醇中，再用二测蒸馏水把所得到的混合液（槲皮素母液与乙醇混合）稀释为1.0×10-3mol·L-1的槲皮素工作业。所使用的缓冲液是20mmol·L-1，且PH 值为9.0 的硼砂缓冲溶液。同样对缓冲液池施加20KV 的高压进行测试。测试结果显示不同时间段电流的值也不同，经过分析可以知道，之所以电流会出现这些变化主要是由于样品溶液中乙醇的存在而造成的，因此将样品中的乙醇改为茶氨酸在进行测试。

上面简要介绍了一下设计原理、芯片的形成过程以及芯片电泳的测试方法。现在芯片薄层电解池-毛细管电泳联用技术已经广泛应用于样品分离分解中，它的优势非常明显。但该技术还存在着很多可以改进的地方，在今后的工作中，笔者将继续对该技术进行更为深入的研究，以期能够进一步的提高该技术的分离性能及适用性。

[1]金亚，汤扬华.集成毛细管电泳芯片系统的制作，测试及应用[J].分析科学学报，2001，17(2)：148-152.

[2]刘海军，杜立群，刘冲等.一种玻璃微流控芯片的实用制作工艺研究[J].分析科学学报，2006，22(6)：671-674.

[3]殷学锋，方群.微流控分析芯片的加工技术[J].现代科学仪器，2001(4)：10-14.