專(zhuān)利名稱(chēng)：微分析芯片的高通量連續(xù)換樣裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的領(lǐng)域?yàn)槲⒘骺匦酒治?，特別是涉及一種用于微分析芯片的高通量連續(xù)換樣裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
微流控芯片分析以分析化學(xué)和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機(jī)電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，把試樣的采集、預(yù)處理、分離、反應(yīng)、檢測(cè)等部分集成在幾平方厘米的面積內(nèi)，從而高效、快速地完成試樣的分離、分析及檢測(cè)。通常，微流控芯片由上下兩層或多層芯片構(gòu)成，芯片的材料為單晶硅、或石英、或玻璃、或高分子聚合物等。芯片的面積約為幾平方厘米，微通道寬度和深度為微米級(jí)。
在微流控分析中，通常是在nL級(jí)的體積下進(jìn)行分析，分析時(shí)間為秒級(jí)。然而，在目前的微流控分析中通常采用間歇式的換樣方法，操作步驟繁瑣、費(fèi)時(shí)，效率低，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的分析速度，使得芯片分析速度快的主要優(yōu)勢(shì)難以在實(shí)際應(yīng)用中得到充分的發(fā)揮。
芯片換樣采用流通式試樣引入是實(shí)現(xiàn)高通量自動(dòng)換樣的一種方法，如方群等(Qun Fang，Guang-Ming Xu，and Zhao-Lun Fang.A High-Throughput Continuous Sample IntroductionInterface for Microfluidic Chip-based Capillary Electrophoresis Systems.AnalyticalChemistry，2002.741223-1231)報(bào)道的一種用于毛細(xì)管電泳芯片上的高通量連續(xù)試樣引入接口裝置，采用了一個(gè)貫通芯片兩層的垂直于芯片的換樣通路，從下方引入試樣引流，上方為自動(dòng)平衡液面的溢流式液槽。Caliper technologies公司發(fā)明的滴液式進(jìn)樣(Steven A.Sundberg，J.Wallace Parce，Calvin Y.H.Chow.Microfabricated Structures forFacilitating Fluid Introduction Into Microfluidic Devices.United States Patent No.US 6,451,188 B1)也屬于流通式芯片換樣。流通式換樣的缺點(diǎn)是試樣消耗量較大，為了提高換樣速度，不得不加大進(jìn)樣的流速和體積。為了實(shí)現(xiàn)常規(guī)微流控芯片的自動(dòng)換樣，Calipertechnologies(Joseph E.Kercso，Steven A.Sundberg，Jeffrey A.Wolk，Andrew W.Toth，Calvin Y.H.Chow，Wallace Parce.High Throughput Microfluidic Systems and Methods.United States Patent No.US 6,495,369 B1)開(kāi)發(fā)了一種高通量進(jìn)樣微流控儀器。采用陣列式多液槽樣品盤(pán)，通過(guò)探針將樣品引入芯片通道的進(jìn)樣孔，采用X-Y-Z三維機(jī)器手控制進(jìn)樣探針插入指定樣品液槽進(jìn)樣。在Caliper technologies的另一項(xiàng)發(fā)明中(Anne R.Kopf-Sill，Andrea W.Chow.Optimized High-throughput analytical system.UnitedStates Patent No.6,511,853 B1)，將毛細(xì)管與芯片耦合，垂直于芯片與通道相通的毛細(xì)管吸液進(jìn)樣，與陣列式樣品盤(pán)結(jié)合，控制也采用了三維機(jī)械手。其共同特征是換樣操作均需探針或試樣盤(pán)做三維移動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是三維控制機(jī)械復(fù)雜，體積大，成本高，換樣速度慢，分析通量低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用的芯片高通量換樣系統(tǒng)。通過(guò)與芯片通道相連的毛細(xì)管探針從單列試樣管中引入試樣溶液，只需通過(guò)一維移動(dòng)單列試樣管即可實(shí)現(xiàn)高通量的換樣。
本發(fā)明的微分析芯片上的高通量連續(xù)換樣裝置，該裝置由加工有取樣探針的微分析芯片和可移動(dòng)的試樣管陣列組成，其特征在于，將毛細(xì)管與芯片微通道耦合連接，構(gòu)成取樣探針，試樣管上加工有供芯片取樣探針進(jìn)出的取樣缺口，通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上的規(guī)則排列的單列試樣管陣列相對(duì)取樣探針，按一定順序進(jìn)行一維移動(dòng)，完成高通量連續(xù)換樣操作。
根據(jù)本發(fā)明，主要特征是在進(jìn)行試樣引入的試樣管加工有取樣缺口。取樣缺口加工于試樣管管口兩側(cè)，或者管壁中部，或者管壁底部。取樣缺口寬度大于取樣探針外徑，范圍在10微米至1厘米之間；取樣缺口深度范圍是1毫米至10厘米。取樣缺口處的試樣管內(nèi)全部或者部分充滿(mǎn)待引入芯片的液體。由于管壁與管內(nèi)液體間存在的表面張力使管內(nèi)的液體存于試樣管壁內(nèi)側(cè)，不能由取樣缺口外流或者溢出。選擇足夠小的缺口寬度，或者合適的試樣管管壁材料，有利于使溶液依靠其表面張力停在缺口內(nèi)側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明，其使用方法如下在進(jìn)行換樣時(shí)，芯片及取樣探針保持不動(dòng)，單列的試樣管相對(duì)于取樣探針進(jìn)行一維移動(dòng)，取樣探針穿過(guò)管壁進(jìn)入試樣管，試樣管陣列線(xiàn)性移動(dòng)，取樣探針穿過(guò)管壁進(jìn)入試樣管，其進(jìn)口浸入管內(nèi)試樣液體中，液體被引入取樣探針和芯片微通道內(nèi)，完成取樣操作后，試樣管繼續(xù)移動(dòng)，取樣探針穿過(guò)管壁脫離該試樣管，進(jìn)入下一個(gè)試樣管進(jìn)行取樣操作。試樣管內(nèi)試樣進(jìn)入取樣探針的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自重力，或者電動(dòng)動(dòng)力，或者其它類(lèi)型的流體動(dòng)力。試樣管呈水平，或者垂直，或者其它方向放置；更為有利的是，試樣管呈水平放置，能保持取樣過(guò)程中試樣管內(nèi)液面和整體系統(tǒng)液壓差的穩(wěn)定。在多試樣管隊(duì)列中，在兩樣品溶液管之間加裝空白溶液(或緩沖液)試樣管，完成前一個(gè)樣品溶液進(jìn)樣后，經(jīng)過(guò)空白溶液，可清洗進(jìn)樣探針外部殘留溶液，可防止兩試樣管間的交叉污染。
為了實(shí)現(xiàn)換樣過(guò)程的自動(dòng)化，可以將試樣管隊(duì)列固定在自動(dòng)移動(dòng)臺(tái)上，做較為精確的平移、定位和停止。移動(dòng)臺(tái)可以由步進(jìn)電機(jī)，位置反饋裝置如光電解碼器，以及電腦控制接口組成。移動(dòng)方式可以包括直線(xiàn)式移動(dòng)、環(huán)形傳送帶式移動(dòng)等。通過(guò)電腦設(shè)定其停留時(shí)間和移動(dòng)速度，即可達(dá)到控制自動(dòng)進(jìn)樣的時(shí)間，從而得到基于時(shí)間的精確的試樣區(qū)帶。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.換樣操作只需試樣管陣列做一維移動(dòng)即可完成，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作速度快，可達(dá)到很高的換樣通量。
2.換樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，體積小，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化和集成化。
3.進(jìn)樣量可通過(guò)控制移動(dòng)的時(shí)間和頻率獲得高度重現(xiàn)性。
4.在微分析芯片上實(shí)現(xiàn)高通量快速的換樣操作，具有廣闊的應(yīng)用前景


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例1的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例2的側(cè)視側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例3的側(cè)視側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例4的側(cè)視側(cè)視結(jié)構(gòu)示意5是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例1的微流控芯片毛細(xì)管電泳連續(xù)換樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例2的裝置進(jìn)行流動(dòng)注射分析的結(jié)果記錄圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，以下將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
優(yōu)選實(shí)施例1圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例1的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。微芯片由上1、下2兩片組成，封合的上1、下2片之間加工有微通道3網(wǎng)絡(luò)。采用毛細(xì)管與微芯片耦合技術(shù)，將毛細(xì)管與芯片微通道3耦合連接，構(gòu)成取樣探針4。多個(gè)試樣管5水平并列放置構(gòu)成試樣管陣列，在試樣管5出口處切割出一條范圍在10微米至1厘米之間，深度范圍是1毫米至10厘米的取樣缺口6，試樣管5內(nèi)分別加入不同試樣溶液7、8、9。試樣加入量應(yīng)使試樣液面10位于取樣缺口6的范圍內(nèi)。進(jìn)行換樣操作時(shí)，沿指示方向11平移試樣管陣列，使取樣探針4依次浸入試樣管5內(nèi)的各個(gè)試樣溶液7，8，9完成換樣操作。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例1的微流控芯片毛細(xì)管電泳連續(xù)換樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。毛細(xì)管電泳玻璃芯片十字通道構(gòu)型，通道寬100微米，深20微米。所接取樣探針4為50微米內(nèi)徑石英毛細(xì)管，長(zhǎng)3.5cm。鉑電極21與石英毛細(xì)管4用一小段塑料套管22固定，塑料套管22同時(shí)用于抬高毛細(xì)管高度，使得芯片的液池11、12和13液面與試樣管列的液面保持一致。11、12和13均為緩沖液。試樣管5用200微升的PCR管加工而成，每個(gè)試樣管口部切割出一條1mm寬2mm深的取樣缺口6。多個(gè)試樣管5水平放置成列。圖中試樣管內(nèi)溶液如下15、17和19為5mM硼砂緩沖液，14為FITC溶液，16、18和20分別為FITC標(biāo)記的精氨酸、苯丙氨酸和精氨酸與苯丙氨酸的混合溶液。采用此裝置實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單的芯片毛細(xì)管電泳換樣操作步驟如下平移試樣管陣列，使取樣探針依次置于溶液14，15，16，17，18，19和20。其中，探針4在14，16、18和20試樣溶液內(nèi)停留的時(shí)間分別為70秒，在這段時(shí)間內(nèi)十字通道芯片電壓置于夾流進(jìn)樣模式。探針4在試樣管15、17和19內(nèi)停留的時(shí)間為30秒，十字通道芯片電壓置于分離模式。采用此操作實(shí)現(xiàn)了四個(gè)不同樣品的連續(xù)換樣，換樣速度可達(dá)到每小時(shí)30樣以上。
優(yōu)選實(shí)施例2圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例2的側(cè)視側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。微芯片由上1、下2兩片組成，封合的上1、下2片間加工有微通道3網(wǎng)絡(luò)。采用毛細(xì)管與微芯片耦合技術(shù)，將毛細(xì)管與芯片微通道3耦合連接，構(gòu)成取樣探針4。多個(gè)試樣管5水平并列放置，在試樣管底部切割出一條1mm寬2mm深的取樣缺口6，試樣管5內(nèi)分別加入不同試樣溶液7、8、9。管內(nèi)試樣依靠表面張力使試樣液面10局限于試樣管內(nèi)，不會(huì)經(jīng)取樣缺口6產(chǎn)生滲漏。進(jìn)行換樣操作時(shí)，沿指示方向11平移試樣管陣列，使取樣探針4依次浸入試樣管5內(nèi)的各個(gè)試樣溶液7，8，9完成換樣操作。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例2的裝置進(jìn)行流動(dòng)注射分析的結(jié)果記錄圖。采用優(yōu)選實(shí)施例2的裝置實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單的流動(dòng)注射換樣操作步驟如下三個(gè)并排試樣管內(nèi)分別為樣品溶液6和8，空白溶液7。進(jìn)樣探針在空白溶液7和樣品溶液8之間來(lái)回移動(dòng)，在空白溶液7中停留的時(shí)間為60秒，在樣品溶液8中停留的時(shí)間為30秒，重復(fù)進(jìn)樣。所得的峰高重現(xiàn)性RSD為0.1％(n＝10)，采用重力，即液位差提供進(jìn)樣動(dòng)力。圖6為該芯片換樣系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)換樣操作時(shí)所得光度檢測(cè)信號(hào)的記錄圖。
優(yōu)選實(shí)施例3圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例3的側(cè)視側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。微芯片由上1、下2兩片組成，封合的上1、下2片間加工有微通道3網(wǎng)絡(luò)。采用毛細(xì)管與微芯片耦合技術(shù)，將毛細(xì)管與芯片微通道3耦合連接，構(gòu)成取樣探針4。多個(gè)試樣管5水平放置，沿垂直方向?qū)盈B成列。在試樣管出口沿垂直方向切割出一條1mm寬2mm深的取樣缺口6，試樣管5內(nèi)分別加入不同試樣溶液7、8、9。試樣加入量應(yīng)使試樣液面10超過(guò)取樣缺口6的范圍內(nèi)。進(jìn)行換樣操作時(shí)，沿指示方向11垂直移動(dòng)試樣管陣列，使取樣探針4依次浸入試樣管5內(nèi)的各個(gè)試樣溶液7，8，9完成換樣操作。
優(yōu)選實(shí)施例4圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例4的側(cè)視側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。微芯片由上1、下2兩片組成，封合的上1、下2片間加工有微通道3網(wǎng)絡(luò)。采用毛細(xì)管與微芯片耦合技術(shù)，將毛細(xì)管與芯片微通道3耦合連接，構(gòu)成取樣探針4。多個(gè)試樣管5豎直放置，并列排列。在試樣管側(cè)壁切割出一條1mm寬2mm深的取樣缺口6，試樣管5內(nèi)分別加入不同試樣溶液7、8、9。試樣加入量應(yīng)使試樣液面10超過(guò)取樣缺口6的范圍內(nèi)。進(jìn)行換樣操作時(shí)，沿指示方向11平移試樣管列，使取樣探針4依次浸入試樣管5內(nèi)的各個(gè)試樣溶液7，8，9完成換樣操作。
權(quán)利要求
1.一種用于微分析芯片上的高通量連續(xù)換樣裝置，該裝置由加工有取樣探針的微分析芯片和可移動(dòng)的試樣管陣列組成，微芯片由上(1)、下(2)基片組成，封合的上(1)、下(2)之間加工有微通道(3)網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，將毛細(xì)管與芯片微通道(3)耦合連接，構(gòu)成取樣探針(4)，試樣管(5)上加工有供芯片取樣探針進(jìn)出的取樣缺口(6)，通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上的規(guī)則排列的單列試樣管陣列相對(duì)取樣探針，按一定順序進(jìn)行一維移動(dòng)，完成高通量連續(xù)換樣操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)換樣裝置，其特征在于，所述取樣缺口(6)加工于試樣管管口兩側(cè)，或管壁中部，或管壁底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)換樣裝置，其特征在于，所述取樣缺口(6)寬度大于取樣探針外徑，范圍在10微米至1厘米之間，取樣缺口(6)深度范圍是1毫米至10厘米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)換樣裝置，其特征在于，所述試樣管陣列呈水平，或者垂直，或者其它方向放置；更為有利的是，試樣管呈水平放置，能保持取樣過(guò)程中試樣管內(nèi)液面和整體系統(tǒng)液壓差的穩(wěn)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)換樣裝置，其特征在于，所述試樣管陣列固定在自動(dòng)移動(dòng)臺(tái)上，做較為精確的平移、定位和停止，移動(dòng)臺(tái)可以由步進(jìn)電機(jī)，位置反饋裝置組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的連續(xù)換樣裝置，其特征在于，移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)方式可以包括直線(xiàn)式移動(dòng)、環(huán)形傳送帶式移動(dòng)，通過(guò)電腦設(shè)定其停留時(shí)間和移動(dòng)速度，即可達(dá)到控制自動(dòng)化。
7.權(quán)利要求1所述的連續(xù)換樣裝置的使用方法，其特征在于，在進(jìn)行換樣時(shí)，芯片及取樣探針保持不動(dòng)，試樣管陣列線(xiàn)性移動(dòng)，取樣探針穿過(guò)管壁進(jìn)入試樣管，其進(jìn)口浸入管內(nèi)液體中，液體被引入取樣探針和芯片微通道內(nèi)，完成取樣操作后，試樣管陣列繼續(xù)移動(dòng)，取樣探針穿過(guò)管壁脫離該試樣管，進(jìn)入下一個(gè)試樣管進(jìn)行取樣操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)換樣裝置的使用方法，其特征在于，在兩試樣管之間加裝空白試樣管，防止試樣的交叉污染。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)換樣裝置的使用方法，其特征在于，試樣管內(nèi)試樣進(jìn)入取樣探針的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自重力，或者電動(dòng)動(dòng)力，或者其它類(lèi)型的流體動(dòng)力。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)換樣裝置的使用方法，其特征在于，取樣缺口處的試樣管內(nèi)全部或者部分充滿(mǎn)待引入芯片的液體，利用管壁與管內(nèi)液體間的表面張力使管內(nèi)的液體存于試樣管壁內(nèi)側(cè)，不能由取樣缺口外流或者溢出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于微分析芯片上的高通量連續(xù)換樣裝置及其使用方法，該裝置的特征是，連續(xù)換樣裝置由芯片取樣探針和加工有供探針進(jìn)出的缺口的試樣管陣列組成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在微分析芯片上實(shí)現(xiàn)高通量快速的換樣操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，分析通量高。
文檔編號(hào)G01N35/10GK1654960SQ20041001622
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2004年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者方群, 杜文斌, 何巧紅 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)