[发明专利]一种微流控芯片

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种微流控芯片。

(二)背景技术

环境和生物样品中的元素形态信息有助于人们了解它的毒性、迁移性和生物可利用性。原子光谱分析技术，特别是等离子体质谱技术，是目前痕量元素总量分析的强有力工具，但难以对环境、生物和食品等复杂基体中痕量元素的存在形态及其含量进行分析。色谱分析模式种类多样，适用范围广，是分析复杂基体中痕量元素的不同形态物种的高效手段，特别是毛细管电泳技术，具有分离效率高、速度快和样品消耗小等优点。毛细管电泳与等离子体质谱联用技术结合两者的优点，即毛细管电泳的高分离效率与等离子体质谱的高灵敏度与高元素选择性，是一种具有很大潜力的形态分析技术。微流控分析芯片具有分析效率高、试样消耗少、易于微型化和便携化等特点，是当前化学和生物的研究热点。毛细管电泳和等离子体质谱联用接口中的连接管路和接头可以方便地集成在芯片上，节约了制作这些管路和接头的时间和成本，并且降低了它们的连接部位的死体积，也简化联用装置。

但是，毛细管电泳与等离子体质谱联用必先设计一个有效的接口，这个接口必须兼容两者的流量，保证电泳分离与等离子体质谱测定互不干扰，同时还要使电泳流出物高效传输到等离子体质谱。设计这样的接口，需要解决的一个问题是如何降低等离子体质谱仪所使用的气动雾化器产生的自吸效应。雾化器的自吸效应会在分离毛细管中产生层流，干扰不同物种的电泳分离甚至导致分离失败。为了最大程度的降低自吸效应，一种简单有效的方法是引入补充液流。但是，由于气动雾化器的自吸流量受雾化气流量、样品溶液粘度和液体被垂直提升的距离等因素的影响，很难通过补充液流来完全匹配雾化器的自吸流量，两者间的微小差异将会对分离毛细管内的电泳过程不利。另一种方法是使用交叉流雾化器来减小自吸效应，此情况下，雾化气出口方向与样品溶液管路是垂直的，雾化器的自吸流量大大降低，因而自吸效应也大为减轻。然而，交叉流雾化器的雾化效率不高，只有10％。最近，Yang,G.,Xu,X.,Wang,W.,et al.,A new interface used to couple capillary electrophoresis with inductively coupled plasma mass spectrometry for speciation analysis[J],Electrophoresis,2008,29(13):2862-2868中公开了一个毛细管电泳与等离子体质谱联用的新接口，它完全消除了雾化器自吸造成的分离毛细管内的层流现象。分离毛细管内的电泳流出物被离线收集，再由蠕动泵转移到三通接头，接着被另一蠕动泵输送的补充液流传输到雾化器并最终被等离子体质谱检测。当第一个电泳流出物转移到三通接头后，第一个蠕动泵停止运行，直至第二个电泳流出物收集完毕。由于分离毛细管和雾化器被第一个蠕动泵隔离开，当它停止运行时，完全消除了雾化器的自吸效应对电泳分离的影响。但是该联用接口仅适用于迁移时间差异大于20s的物种，否则两种分析物的电泳峰会发生重叠。

除了自吸效应，毛细管电泳与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题是接口的灵敏度。等离子体质谱所用的常规雾化器的进样流量一般为0.5-2mL/min，采用微量雾化器的进样流量一般为5-100μL/min，这都远远超过毛细管电泳的流速(亚μL/min水平)，因此绝大部分的接口使用大流量的鞘流液来平衡两者的流量差。然后在分离毛细管后引入鞘流液会大量稀释分析物的浓度，使联用接口的灵敏度显著下降。另一方面，毛细管电泳的进样量一般为数纳升至数十纳升，而等离子体质谱又是一个质量型检测器(即灵敏度与进样量相关)，这也导致联用方法的灵敏度雪上加霜。由于金属形态物种在生物、环境等基体中含量较低，使用传统毛细管电泳与等离子体质谱联用系统直接检测它们十分困难。为降低联用系统的检出限，可采用改进联用接口、离线或在线样品富集、增加进样量等方法。改进联用接口的手段有氢化物发生进样，但其应用范围有限(仅限于As、Sn、Hg等能形成氢化物的元素)。离线或在线样品富集方法效果较好，但是装置相对复杂，耗时较长。增加进样量可以成比例地改善灵敏度，但是会牺牲分离度；而且毛细管电泳分离的样品带一般不能超过分离通道的1/10，否则将导致分离失败，这限制了增加进样量方法的效果。

此外，毛细管电泳与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题是接口的死体积。接口的死体积越大，分析物在此停留的时间越长，电泳峰的扩宽越严重，降低分离效率和检测灵敏度。现有的毛细管电泳与等离子体质谱联用接口一般采用两通、三通或者四通来连接高压电极、分离毛细管、鞘流液管路及雾化器，它们的死体积少则数十纳升，多则数微升，易导致电泳峰的扩宽。