CN101398436B - 一种旋转式微量样品自动引入装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转式微量样品自动引入装置，包括一体化样品盘、毛细管取样探针、步进电机、高压电源、电极、储液管，其特征在于：一体化样品盘为齿轮形，即在圆形盘体外沿均匀分布有储液池，每个储液池上开有一个孔隙；毛细管取样探针的样品进口端外壁镀有一层或多层金属层，毛细管取样探针的样品进口端可***到一体化样品盘的一个储液池底部的孔隙中，在一体化样品盘的旋转时，毛细管取样探针不接触一体化样品盘的盘体。本发明不需要借助任何泵和阀，即可实现自动进样和换样，换样时间小于0.2s，样品溶液消耗量为nL级，可作为相关分析仪器的高通量样品引入装置。

Description

一种旋转式微量样品自动引入装置

技术领域

本发明属于微流控分析技术领域，特别涉及一种旋转式微量样品自动引入装置。

背景技术

微流控分析是二十世纪90年代初期发展起来的分析化学前沿领域，它以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，目标是把整个实验室的功能集成在微芯片上，构建芯片实验室，实现各种分析***的整体微型化、自动化、集成化与便携化。微流控芯片毛细管电泳是在微流控分析发展最快的领域之一，它具有分离快速、易平行操作、自动化、集成化、低成本等优点。然而，对于高通量、自动化的微流控分析***，合适的样品引入接口十分重要，这也是制约微流控技术发展的瓶颈问题之一。一方面要求样品引入保持连续进样而不中断分析过程；另一方面由于微流控***操控样品量少(皮升至纳升级)，应研究如何在换样过程中减少样品损失，发挥微流控分析***的优势。微流控毛细管电泳***中采用最多的是基于固定储液池式的样品引入方法，这种进样方法常常将微通道设计成十字形[Bruin J M G.Recentdevelopments in electrokinetically driven analysis on microfabricated devices，Electrophoresis，2000，21：3931-3951.]，其中一条通道作为分离通道，另一条通道用于样品引入。两条通道的两端为储液池，其中两个储液池分别用于储存样品溶液和缓冲液，另外两个用作废液池。控制储液池上电位的变化，可以操纵液体流动，从而实现样品的引入与电泳分离。这种装置容易加工，操作简单，但属于间歇式换样，换样常常只能手工进行，往往需要十几步操作，不仅繁琐，而且影响了分析通量。换样效率不高是制约微流控分析技术实际应用的问题之一，使得芯片分析速度快的主要优势难以得到充分的发挥。因此连续试样引入技术已成为微流控分析技术需要重点解决的问题之一。

流通池式试样引入***是用于解决上述问题方法之一[Fang Q，Wang F R，Wang S L，Liu SS，Xu S K，Fang Z L.Sequential injection sample introduction microfluidic-chip based capillaryelectrophoresis system，Anal.Chim.Acta，1999，390：27-37.]，其主要是采用在芯片上加工与微通道相连接的试样引入通道，连续的向芯片内引入多种试样溶液，然后在芯片上进行进样和分离操作。流通试样引入***常采用蠕动泵、注射泵或真空泵等作为试样更换的驱动力。但流通式样品引入***每次进样消耗样品量较大，通常为几十微升到几百微升[Fang Q，Xu G M，Fang Z L.A high-throughput continuous sample introduction interface for microfluidic chip-basedcapillary electrophoresis systems[J]，Anal.Chem.，2002，74：1223-1231.徐章润，王世立，樊晓峰，王福仁，方肇伦，小型可连续进样微流控芯片分析仪的研制，分析化学，2003，31(12)：1527-1530.Wang S L，Fan X F，Xu Z R，Fang Z L.A simple microfluidic system for efficient capillary electrophoreticseparation and sensitive fluorimetric detection of DNA fragments using light-emitting diode andliquid-core waveguide techniques，Electrophoresis，2005，26：3602-3608.]。取样探针式样品引入***的特征是芯片上没有专门的固定或流通试样池，而采用与芯片分析通道直接相连的取样探针，通过将取样探针***试样容器内完成试样引入[Smith E M，Xu HW，Ewing A G.DNAseparations in microfabricated devices with automated capillary sample introduction，Electrophoresis，2001，22：363-370.Chen G，Wang J.Fast and simple sample introduction forcapillary electrophoresis Microsystems，Analyst，2004，129：507-511.]。将取样探针和可平移的开缝试样管阵列结合，可实现低消耗、高通量试样引入[He Q H，Fang Q，Du W B，Huang Y z，Fang Z LAnalyst，2005，130：1052-1057.He Q H，Fang Q，Du W B，Fang Z L.Electrophoresis，2007，28：2912-2919.]。但该装置手工制作的开缝试样管难以保证其尺寸和形状的一致性，捆绑电极式的取样探针可靠性较差，限制了其实际应用能力。另外，一维线性试样管阵列占用空间较大，而且平移进样时需要两倍的阵列长度，不利于装置的小型化。因此，研制一种有实用价值的自动化样品引入装置，将在一定程度上解决微流控技术发展的瓶颈问题，促进微流控分析技术的发展，并可为该技术的产业化铺平道路。

发明内容

本发明针对现有样品引入技术存在的问题，提供一种旋转式微量样品自动引入装置。

本发明所述的旋转式微量样品自动引入装置包括一体化样品盘、毛细管取样探针、步进电机、高压电源、电极、储液管。

本发明的一体化样品盘为齿轮形，即在圆形盘体外沿均匀分布凸起部分，每个凸起部分的上端面带有一个凹槽，凸起部分与其所带的凹槽构成储液池，各储液池均匀分布在一体化样品盘上，每个储液池外侧底部开有一个孔隙，各孔隙将储液池内部和一体化样品盘外侧连通；一体化样品盘固定在步进电机的轴上，与步进电机的轴同圆心。

本发明的毛细管取样探针材质为熔融石英毛细管或高分子聚合物毛细管，毛细管内径为1～1000μm，其中熔融石英毛细管的外壁涂覆聚酰亚胺或无定形聚四氟乙烯等高分子聚合物，以防其折断；毛细管取样探针的样品进口端的外壁通过溅射或电镀方式，形成一层或多层金属镀层，起导电作用，金属镀层总厚度为0.1～200微米，其中最外层镀层可采用防腐能力较好的不锈钢、铂或金等材料。

本发明的高压电源为直流高压电源，电源其中一极通过导线连接电极，该电极和毛细管取样探针的样品出口端***到储液管中，电源的另一极通过导线连接到毛细管取样探针的样品进口端的金属镀层上。电源的电极连接方式根据被分析样品所带电荷进行切换。

毛细管取样探针的样品进口端可***到一体化样品盘的一个储液池底部的孔隙中，并可在保持位置不变的情况下，通过一体化样品盘的旋转分别***到各个储液池的孔隙中，且不接触一体化样品盘的盘体。

本发明的一体化样品盘由机械加工或模具注塑而成，直径为1～100cm，厚度为0.1～10cm，盘体的侧面与储液池内壁最小距离不大于2mm；根据需要，储液池的数量可从3个到1000个变化，在样品盘边缘均匀分布；为防止储液池中溶液蒸发，可在储液池上加一盖片，盖片可由硅橡胶等材料制成。

本发明所述的储液池内部为圆柱形，直径0.5～5mm，深度2～50mm，其下端外侧的孔隙宽0.5～5mm，在一体化样品盘旋转时不接触毛细管取样探针，而毛细管取样探针可以***到置于储液池内的液体样品中，同时金属镀层需要接触到液体样品。

本发明旋转式微量样品自动引入装置的使用方法为：一体化样品盘随步进电机转动，并在转动一定角度后停留一定时间，停留时毛细管取样探针与孔隙中的样品溶液接触，通过高压电源在毛细管取样探针两端施加一定的直流电压，样品在电场作用下进入毛细管取样探针中，即完成进样过程。

本发明中的毛细管取样探针用作毛细管电泳分离通道，在毛细管取样探针中，采用荧光物质标记的样品在电场的作用下分离，利用液芯波导现象，通过激光垂直照射毛细管取样探针，荧光物质产生的激发光沿毛细管取样探针轴向传导，并在毛细管取样探针的样品出口端传导到检测装置分析结果。

根据本发明，步进电机用于带动一体化样品盘转动，其转速在10rad/s以下，不宜超过10rad/s，以防储液池中的溶液在离心力作用下从孔隙中泄露出；步进电机可由微机或单片机控制，可以在转动一定角度后停留一定时间。

根据本发明，所述的一体化样品盘的各储液池中间隔加入缓冲溶液和不同样品溶液，当一体化塑料样品盘在步进电机带动下转动时，毛细管取样探针与缓冲溶液和不同样品溶液交替接触，在电场的作用下完成换样过程；连续转动样品盘，即可实现连续自动进样和换样，不需要借助任何泵和阀，且换样时间小于0.2s，样品溶液消耗量为nL级。

本发明通过较简单装置建立一种性能可靠、体积小的样品自动引入***，可以在短时间内实现自动化样品引入，并达到低消耗、高通量的效果；本发明具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的旋转式微量样品自动引入装置示意图，图中1、步进电机，2、一体化样品盘，3、储液池，4、孔隙，5、毛细管取样探针，6、储液管，7、电极，8、高压电源。

图2为本发明实施例中毛细管取样探针停留在储液池孔隙中的示意图，图中3、储液池，4、孔隙，5、毛细管取样探针，9、金属镀层，10、样品溶液。

图3为采用本发明实施例的旋转式微量样品自动引入装置分析***连续7次进样分离检测FITC标记的精氨酸和亮氨酸的记录谱图，图中a、FITC标记的精氨酸(0.4μmol/L)，b、FITC，c、FITC标记的亮氨酸(0.8μmol/L)。

图4为采用本发明实施例的旋转式微量样品自动引入装置分析***连续换样分离不同浓度氨基酸的记录谱图，图中d、FITC标记的精氨酸(0.1μmol/L)和FITC的亮氨酸(0.2μmol/L)混合物，e、FITC标记的精氨酸(0.2μmol/L)和FITC的亮氨酸(0.4μmol/L)混合物，f、FITC标记的精氨酸(0.4μmol/L)和FITC的亮氨酸混合物(0.8μmol/L)。

具体实施方式

本发明实施例中的荧光标记物质为FITC，即异硫氰酸荧光素。

实施例1

旋转式微量样品自动引入装置如图1所示，一体化样品盘2为齿轮形，直径为7cm，厚度为8cm，边缘均匀分布着20个圆桶形储液池3，各储液池3内径为3.5mm，深度为7mm，底面处于同一水平面上，并且各储液池3均匀分布在一体化样品盘2上，盘体的侧面与储液池内壁最小距离为2mm，每个储液池3外侧底部开有一个相同形状相同截面积的孔隙4，孔隙4宽度为1.2mm，深度为2.0mm，各孔隙4将储液池内部和一体化样品盘2外侧连通，并且处在同一水平面上；一体化样品盘2固定在步进电机1的轴上，与步进电机1的轴同圆心。其中一体化样品盘采用塑料由机械加工而成。

高压电源8为直流高压电源，高压电源8正极通过导线连接电极7，电极7和毛细管取样探针5的样品出口端***到储液管6中，高压电源8负极通过导线连接到毛细管取样探针5的样品进口端。其中储液管6中盛装缓冲溶液。电极7为铂丝电极。

本发明的旋转式微量样品自动引入装置的毛细管取样探针在储液池中停留如图2所示，毛细管取样探针5为外壁涂覆无定形聚四氟乙烯的熔融石英毛细管，其内径为50μm，外径365μm，外壁溅射了一层金属镀层9，用作电极，金属镀层9厚度为1μm；当一体化样品盘2旋转时不接触毛细管取样探针5，而毛细管取样探针5可以***到置于储液池3内的液体样品10中，同时金属镀层9接触液体样品10。

采用上述旋转式微量样品自动引入装置对样品进行分析，具体步骤为：

启动步进电机1，一体化样品盘2随步进电机1转动，转速为3rad/s，并在转动一定角度后停留一定时间，停留时毛细管取样探针5与孔隙4中的样品溶液接触，通过高压电源8在毛细管取样探针5两端施加一定的直流电压，样品溶液在电场作用下进入毛细管取样探针5中，即完成进样过程；毛细管取样探针5用作毛细管电泳分离通道：在毛细管取样探针5中，样品在电场的作用下分离，并通过检测装置分析结果。当步进电机1继续下一次转动后停留时，毛细管取样探针5与下一个孔隙中的样品溶液接触。

在一体化样品盘2的各储液池3中间隔加入缓冲溶液和不同样品溶液，当一体化塑料样品盘2在步进电机1带动下转动时，毛细管取样探针5与缓冲溶液和不同样品溶液交替接触，在电场的作用下完成换样过程；连续转动样品盘，即可实现连续自动进样和换样，不需要借助任何泵和阀，且换样时间小于0.2s，样品溶液消耗量为nL级。

图3为采用上述旋转式微量样品自动引入装置和微流控毛细管电泳分析***连续7次进样分离检测FITC标记的精氨酸和亮氨酸的记录谱图；a为FITC标记的精氨酸(0.4μmol/L)，b为FITC，c为FITC标记的亮氨酸(0.8μmol/L)；毛细管取样探针5长度为7.5cm，其中有效分离长度为6.0cm；运行缓冲溶液为10mmol/L的四硼酸钠缓冲溶液(pH9.2)；进样和分离电场强度均为320V/cm；进样时间为1.0s，引入的样品量为1.3nL。

图4为采用上述旋转式微量样品自动引入装置和微流控毛细管电泳分析***连续换样分离不同浓度氨基酸的记录谱图。d为FITC标记的精氨酸(0.1μmol/L)和FITC标记的亮氨酸混合物(0.2μmol/L)，e为FITC标记的精氨酸(0.2μmol/L)和FITC标记的亮氨酸混合物(0.4μmol/L)，f为FITC标记的精氨酸(0.4μmol/L)和FITC标记的亮氨酸混合物(0.8μmol/L)。

实施例2

旋转式微量样品自动引入装置的一体化样品盘2为齿轮形，直径为1cm，厚度为0.1cm，边缘均匀分布着个圆桶形储液池，各储液池内径为0.5mm，深度为2mm，底面处于同一水平面上，并且各储液池均匀分布在一体化样品盘上，盘体的侧面与储液池内壁最小距离为2mm，每个储液池外侧底部开有一个相同形状相同截面积的孔隙，孔隙宽度为0.5mm，深度为2.0mm，各孔隙将储液池内部和一体化样品盘外侧连通，并且处在同一水平面上；一体化样品盘固定在步进电机的轴上，与步进电机的轴同圆心。

毛细管取样探针为外壁涂覆无定形聚四氟乙烯的熔融石英毛细管，其内径为1μm，外径5μm，外壁溅射了一层金属镀层，用作电极，金属镀层厚度为0.1μm；当一体化样品盘旋转时不接触毛细管取样探针，而毛细管取样探针可以***到置于储液池内的液体样品中，同时金属镀层接触液体样品。

采用上述旋转式微量样品自动引入装置对样品进行分析，方式同实施例1，转速为2rad/s，换样时间小于0.2s，样品溶液消耗量为nL级。

实施例3

旋转式微量样品自动引入装置的一体化样品盘2为齿轮形，直径为100cm，厚度为10cm，边缘均匀分布着500个圆桶形储液池，各储液池内径为5mm，深度为50mm，底面处于同一水平面上，并且各储液池均匀分布在一体化样品盘上，盘体的侧面与储液池内壁最小距离为5mm，每个储液池外侧底部开有一个相同形状相同截面积的孔隙，孔隙宽度为0.5mm，深度为5mm，各孔隙将储液池内部和一体化样品盘外侧连通，并且处在同一水平面上；一体化样品盘固定在步进电机的轴上，与步进电机的轴同圆心。

毛细管取样探针为外壁涂覆无定形聚四氟乙烯的熔融石英毛细管，其内径为1000μm，外径5000μm，外壁溅射了一层金属镀层，用作电极，金属镀层厚度为200μm；当一体化样品盘旋转时不接触毛细管取样探针，而毛细管取样探针可以***到置于储液池内的液体样品中，同时金属镀层接触液体样品。

采用上述旋转式微量样品自动引入装置对样品进行分析，方式同实施例1，转速为5rad/s，换样时间小于0.2s，样品溶液消耗量为nL级。

Claims (8)

1.一种旋转式微量样品自动引入装置，包括一体化样品盘、毛细管取样探针、步进电机、高压电源、电极、储液管，其特征在于：一体化样品盘为齿轮形，即在圆形盘体外沿均匀分布有储液池，每个储液池上开有一个孔隙；毛细管取样探针的样品进口端可***到一体化样品盘的一个储液池的孔隙中；一体化样品盘固定在步进电机的轴上，与步进电机的轴同圆心；高压电源为直流高压电源，电源其中一极通过导线连接电极，该电极和毛细管取样探针的样品出口端***到储液管中，电源的另一极通过导线连接毛细管取样探针的样品进口端，两极的连接方式根据被分析样品所带电荷切换；毛细管取样探针的样品进口端在一体化样品盘的旋转时，毛细管取样探针不接触一体化样品盘的盘体；毛细管取样探针材质为熔融石英毛细管或高分子聚合物毛细管，毛细管内径为1～1000μm，其中熔融石英毛细管的外壁涂覆聚酰亚胺或无定形聚四氟乙烯；毛细管取样探针的样品进口端的外壁涂有一层或多层金属镀层，金属镀层总厚度为0.1～200微米，毛细管取样探针的样品进口端上的金属镀层与高压电源通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的旋转式微量样品自动引入装置，其特征在于所述的一体化样品盘直径为1～100cm，厚度为0.1～10cm。

3.根据权利要求1所述的旋转式微量样品自动引入装置，其特征在于所述的各储液池均匀分布在一体化样品盘上，所述孔隙位于每个储液池外侧底部，各孔隙将储液池内部和样品盘外侧连通，并且各孔隙处在同一水平面上；储液池直径为0.5～5mm，深度为2～50mm；孔隙宽0.5～5mm。

4.权利要求1所述的一种旋转式微量样品自动引入装置的使用方法，其特征在于：一体化样品盘随步进电机转动，并在转动一定角度后停留一定时间，停留时毛细管取样探针的样品进口端及金属镀层与孔隙中的样品溶液接触，通过高压电源在毛细管取样探针两端施加一定的直流电压，样品在电场作用下进入毛细管取样探针中，即完成进样过程。

5.根据权利要求4所述的一种旋转式微量样品自动引入装置的使用方法，其特征在于毛细管取样探针用作毛细管电泳分离通道，在毛细管取样探针中，采用荧光物质标记的样品在电场的作用下分离，利用液芯波导现象，通过激光垂直照射毛细管取样探针，荧光物质产生的激发光沿毛细管取样探针轴向传导，并在毛细管取样探针的样品出口端传到到检测装置分析结果。

6.根据权利要求4所述的一种旋转式微量样品自动引入装置的使用方法，其特征在于一体化样品盘在步进电机带动下以10rad/s以下的角速度转动，由于溶液和储液池壁之间的表面张力作用，储存于储液池中的溶液不会因离心力作用而从孔隙中流出。

7.根据权利要求4所述的一种旋转式微量样品自动引入装置的使用方法，其特征在于各储液池中间隔加入缓冲溶液和不同样品溶液，当一体化样品盘在步进电机带动下转动时，毛细管取样探针与缓冲溶液和不同样品溶液交替接触，在电场的作用下完成换样过程；连续转动一体化样品盘，即可实现连续自动进样和换样。

8.根据权利要求4所述的一种旋转式微量样品自动引入装置的使用方法，其特征在通过旋转式微量样品自动引入装置自动进样和换样，换样时间小于0.2s，样品溶液消耗量为nL级。

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