專利名稱：一種基于微加工方法制作的微型固相萃取芯片及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型固相萃取芯片及使用方法，更確切地說涉及一種基于微加工方法制作的微型固相萃取芯片及使用方法，所述的芯片可應(yīng)用于分析化學(xué)和生物分析檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固相萃取(Solid-Phase Extraction，SPE)是目前最受歡迎的樣品預(yù)處理技術(shù)之一。它是建立在傳統(tǒng)的液-液萃取(LLE)基礎(chǔ)之上，結(jié)合物質(zhì)相互作用的相似相溶機理和目前廣泛應(yīng)用的HPLC、GC中的固定相基本知識逐漸發(fā)展起來的，主要用于樣品的分離、純化和濃縮。與液-液萃取(LLE)相比，SPE具有操作簡便快速、有機溶劑用量少、環(huán)境污染小等優(yōu)點。目前SPE技術(shù)已在藥品、食品、環(huán)保、商檢、化妝品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用[Simpson，N.J.K.“Solid-Phase Extraction Principles，Techniques and Applications，”MarcelDekkerNew York；2000]。
常規(guī)的SPE裝置通常由SPE小柱和輔件構(gòu)成，往往涉及柱管、燒結(jié)墊、填料、真空系統(tǒng)、真空泵、吹干裝置、惰性氣源、大容量采樣器和緩沖瓶等眾多部件，難以實現(xiàn)微型化和集成化，且不適用于微量樣品的處理，從而限制了整個分析過程的自動化和便攜性。20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的固相微萃取(Solid Phase Microextraction，SPME)技術(shù)雖然在裝置的微型化和操作的簡便性方法有了很好的改進，但是在集成化方面仍有較大的局限，難以與前端樣品粗處理和后端的檢測集成。
適應(yīng)當(dāng)前分析儀器微型化、集成化的發(fā)展趨勢，近年來基于微流體芯片平臺的微全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis Systems，μ-TAS)迅速崛起，并開始在生物和化學(xué)分析領(lǐng)域受到應(yīng)用?；谖⒘黧w芯片的固相萃取研究也有相關(guān)報道，1998年，F(xiàn)igeys等[Figeys，D.，Aebersold，R.“Nanoflow solvent gradientdelivery from a microfabricated device for protein identifications by electrosprayionization mass spectrometry，”Anal.Chem.，1998，70(18)3721-3727.]在芯片外接一內(nèi)充柱C18硅膠的毛細管作為固相萃取微柱，首次實現(xiàn)了固相萃取與微流體芯片結(jié)合；最近，Oleschuk等[Oleschuk，R.D.，Shultz-Lockyear，L.L.，Ning，Y.，Harrison，D.J.“Trapping of bead-based reagents within microfluidic systemson-chip solid-phase extraction and electrochromatography，”Anal.Chem.，2000，72(3)585-590.]通過微加工技術(shù)，在芯片通道中加工形成一微型腔，填充填料，制作了集成固相萃取功能的單一微流體芯片。與傳統(tǒng)的SPE裝置相比，微流體SPE芯片具有以下優(yōu)勢(1)提高樣品處理通量；(2)大大減少溶劑的消耗和廢物的產(chǎn)生；(3)回收率高，重現(xiàn)性好；(4)易于實現(xiàn)集成化和自動化?，F(xiàn)有的微流體SPE芯片雖然成功地實現(xiàn)了固相萃取技術(shù)與微流體芯片的結(jié)合，但是在與前后端的集成化方面還做得不夠，限制這一新技術(shù)的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種集成過濾、熱解吸附等功能的微型固相萃取芯片及使用方法，所述的微型固相萃取芯片是通過微加工方法在單塊芯片上加工過濾管道、固相萃取填料的填充管道和加熱微電極，提高固相萃取過程的速度和整個分析過程的集成度，降低有機試劑的消耗。該芯片易于集成和實現(xiàn)自動化，可用于構(gòu)建微型全分析系統(tǒng)。
本發(fā)明提供的一種微型固相萃取芯片，其特征在于所述的芯片包括至少一個蓋層和一個管道層；蓋層上加工有與管道層各微池對應(yīng)的小孔。其中管道層包含至少一段固相萃取填料的填充管道和一段過濾管道；固相萃取填料填充管道兩端通過壩型或柵欄結(jié)構(gòu)與相鄰管道部分分隔，限制固相萃取填料在填充管道區(qū)域，但保持該區(qū)域與相鄰管道部分氣相或液相的連通性；固相萃取填料的填充管道中填充顆粒狀固相萃取填料，用于進行選擇性萃?。贿^濾管道部分由光引發(fā)聚合物形成的微孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成，用于過濾樣品液中顆粒狀雜質(zhì)或生物大分子雜質(zhì)；芯片底面對應(yīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域加工有微型加熱電極和溫度感應(yīng)電極，可對填充管道部分的物質(zhì)進行加熱和控溫，用于直接熱解吸附揮發(fā)性和半揮發(fā)性的有機萃取成分。另外，所述的管道層特征在于包含至少一個活化試劑池、一個樣品池、一個淋洗液池、一個萃取填料填充池、一個廢液池和一個樣品收集池；樣品池、活化試劑池和淋洗液池通過三個分支管道匯聚形成萃取芯片主管道，其中連接樣品池與萃取芯片主管道的分支管道為過濾管道；萃取填料填充池通過一個分支管道與位于萃取芯片主管道上的固相萃取填料填充管道相連，用于向填充管道中填充固相萃取填料；廢液池和樣品收集池通過兩個分支管道與萃取芯片主管道后端相連。管道層的背面，對應(yīng)于固相萃取填料管道區(qū)域加工有微型加熱電極和濕度感應(yīng)電極。
具體而言，實施樣品萃取時，首先在萃取填料填充池8中加入呈懸浮液狀態(tài)的萃取填料，通過氣壓或電滲流驅(qū)動方式將萃取填料12填入固相萃取填料填充管道3中，然后分別在活化試劑池5、樣品池6和淋洗液池7中加入活化劑、樣品液和淋洗液，并按照活化、進樣、淋洗、洗脫收集的順序?qū)嵤┕滔噍腿?。對于揮發(fā)性或半揮發(fā)性的有機萃取成分可以省去洗脫收集步驟，直接通過背面的加熱微電極13和溫度感應(yīng)微電極14加熱實行熱解吸附，使之脫離與固相萃取填料的結(jié)合通過與樣品收集池10的接口進入后端氣相色譜等檢測設(shè)備，進行分析。對于難揮發(fā)的萃取物，可通過洗脫操作將其從固相萃取填料上洗脫下來，然后將收集成分導(dǎo)入后端液相色譜或電泳分離等檢測設(shè)備，進行分析。
本發(fā)明與現(xiàn)有的固相萃取芯片相比，集成了在線過濾和熱解吸附功能，改進了固相萃取芯片的集成度，提高了整個萃取過程自動化的可行性。


圖1為本發(fā)明固相萃取芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明固相萃取芯片管道層平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2固相萃取填料填充管道區(qū)域3的局部放大圖。
圖4為芯片對應(yīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域背面微電極局部放大圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步。
圖1為本發(fā)明固相萃取芯片結(jié)構(gòu)示意圖，該芯片包括一個蓋層1和一個管道層2。其中管道層通過微加工手段加工有如圖2所示的微管道和微池結(jié)構(gòu)，蓋層加工有與管道層各微池對應(yīng)的小孔。
圖2為本發(fā)明固相萃取芯片管道層平面結(jié)構(gòu)示意圖，包含至少一段固相萃取填料填充管道3、過濾管道4和一系列微池一個活化試劑池5、一個樣品池6、一個淋洗液池7、一個萃取填料填充池8、一個廢液池9和一個樣品收集池10。其中過濾管道4由具有微孔特征的聚丙烯酰胺構(gòu)成，其制作是通過在管道中充入摻雜光引發(fā)劑的丙烯酰胺和甲叉雙丙烯酰胺混合液，并使管道局部照射紫外光發(fā)生聚合而實現(xiàn)的。根據(jù)樣品液過濾生物大分子雜質(zhì)、細胞或灰塵顆粒的不同需要，調(diào)整丙烯酰胺和甲叉雙丙烯酰胺的混合比例不同，過濾管道4中聚丙烯酰胺的孔徑可在5nm～1μm之間變化。
圖3為圖2固相萃取填料填充管道區(qū)域3局部放大圖，固相萃取填料填充管道兩端通過壩型或柵欄結(jié)構(gòu)11與管道其它部分分隔，限制固相萃取填料12在填充管道部分，但保持填充管道部分與相鄰管道部分氣相和液相的連通性。
圖4為芯片對應(yīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域背面微電極局部放大圖，包括微型加熱電極13和溫度感應(yīng)電極14，用于對填料填充管道區(qū)域進行加熱，實行直接熱解吸附。
實施樣品萃取時，首先在萃取填料填充池8中加入萃取填料懸浮液，通過在萃取填料填充池8和廢液池9之間施加氣壓差或電壓差，以氣壓驅(qū)動或電滲流驅(qū)動方式將萃取填料12填入固相萃取填料填充管道3中，由于萃取填料12的粒徑大于壩型或柵欄結(jié)構(gòu)11的空隙，萃取填料12將被限制在填充管道3區(qū)域。然后分別在活化試劑池5、樣品池6和淋洗液池7中加入活化劑、樣品液和淋洗液，并以活化、進樣、淋洗、洗脫收集的順序?qū)嵤┕滔噍腿?A)在活化試劑池5和廢液池9之間施加氣壓差或電壓差，驅(qū)動活化劑流經(jīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域3，活化填料；(B)在樣品池6和廢液池9之間施加氣壓差或電壓差，驅(qū)動樣品液流經(jīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域3，進行選擇性結(jié)合；(C)在淋洗液池7和廢液池9之間施加氣壓差或電壓差，驅(qū)動淋洗液流經(jīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域3，進行淋洗，去除雜質(zhì)。對于揮發(fā)性或半揮發(fā)性的有機萃取成分省去洗脫和收集此時可步驟，此時可以直接通過管道層背面的加熱微電極13和溫度感應(yīng)微電極14加熱實行熱解吸附，使之脫離與固相萃取填料的結(jié)合通過與樣品收集池10的接口進入后端氣相色譜等檢測設(shè)備，進行分析。對于難揮發(fā)的萃取物，此時通過在淋洗液池7和收集池10之間施加氣壓差或電壓差，進行洗脫收集，然后將收集成分導(dǎo)入后端液相色譜或電泳分離等檢測設(shè)備，進行分析。
權(quán)利要求
1.一種基于微加工方法制作的微型固相萃取芯片，其特征在于①所述的微型固相芯片由一個蓋層(1)和一個管道層(2)構(gòu)成，蓋層(1)上加工有與管道層(2)各微池對應(yīng)小孔；②所述的管道層由一段固相萃取填料填充管道(3)、過濾管道(4)和微池構(gòu)成；所述的微池包括一個活化試劑池(5)、一個樣品池(6)、一個淋洗液池(7)、一個萃取填料填充池(8)、一個廢液池(9)和一個樣品收集池(10)，樣品池、活化試劑池和淋洗液池通過三個分支管道匯聚形成萃取芯片主管道，其中連接樣品池與萃取芯片主管道的分支管道為過濾管道(4)；萃取填料填充池通過一個分支管道與位于萃取芯片主管道上的固相萃取填料填充管道(3)相連；廢液池和樣品收集池通過兩個分支管道與萃取芯片主管道后端相連。
2.按權(quán)利要求1所述的微型固相萃取芯片，其特征在于所述的管道層(2)的背面，對應(yīng)于固相萃取填料填充管道(3)區(qū)域加工有微型加熱電極(13)和溫度感應(yīng)電極(14)。
3.按權(quán)利要求1所述的微型固相萃取芯片，其特征在于固相萃取填料填充管道(3)的兩端通過壩型或柵欄結(jié)構(gòu)與相鄰管道分離，但仍保持與相鄰管道的氣相或液相的連通性。
4.按權(quán)利要求1所述的微型固相萃取芯片，其特征在于過濾管道(4)具在微孔特征，微孔孔徑介于5nm～1μm之間。
5.按權(quán)利要求4所述的微型固相萃取芯片，其特征在于所述的過濾管道(4)的微孔孔徑通過調(diào)節(jié)由丙稀酰胺和甲叉雙丙烯酰胺組成的混合液中兩者的混合比實現(xiàn)的。
6.使用由權(quán)利要求1-5中任一項所述的微型固相萃取芯片的方法，其特征在于(1)首先在萃取填料填充池(8)中加入萃取填料懸浮液，通過在萃取填料填充池(8)和廢液池(9)之間施加氣壓差或電壓差，以氣壓驅(qū)動或電滲流驅(qū)動方式將萃取填料(12)填入固相萃取填料填充管道(3)中，由于萃取填料(12)的粒徑大于壩型或柵欄結(jié)構(gòu)(11)的空隙，萃取填料(12)將被限制在填充管道(3)區(qū)域內(nèi)；(2)然后分別在活化試劑池(5)、樣品池(6)和淋洗液池(7)中加入活化劑、樣品液和淋洗液，并以活化、進樣、淋洗、洗脫收集的順序?qū)嵤┕滔噍腿?a)在活化試劑池(5)和廢液池(9)之間施加氣壓差或電壓差，驅(qū)動活化劑流經(jīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域(3)，活化填料；(b)在樣品池(6)和廢液池(9)之間施加氣壓差或電壓差，驅(qū)動樣品液流經(jīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域(3)，進行選擇性結(jié)合；(c)在淋洗液池(7)和廢液池(9)之間施加氣壓差或電壓差，驅(qū)動淋洗液流經(jīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域(3)，進行淋洗，去除雜質(zhì)，進入后道檢測設(shè)備進行分析。
7.按權(quán)利要求6所述的微型固相萃取芯片的使用方法，其特征在于對于揮發(fā)性或半揮發(fā)性的有機萃取成分有去洗脫收集步驟，直接通過管道層背面的加熱微電極(13)和溫度感應(yīng)微電極(14)加熱實行熱解吸附，使之脫離與固相萃取填料的結(jié)合通過與樣品收集池(10)的接口進入后端氣相色譜等檢測設(shè)備，進行分析；對于難揮發(fā)的萃取物，此時通過在淋洗液池(7)和收集池(10)之間施加氣壓差或電壓差，進行洗脫收集，然后將收集成分導(dǎo)入后端液相色譜或電泳分離等檢測設(shè)備，進行分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微加工方法制作的微型固相萃取芯片及使用方法。該芯片包括至少一個蓋層和一個管道層，所述管道層通過微加工形成至少一段固相萃取填料填充管道和一段過濾管道，其中固相萃取填料填充管道通過壩型結(jié)構(gòu)或柵欄結(jié)構(gòu)與相鄰管道部分分隔，但保持與相鄰管道部分氣相和液相的連通性，過濾管道部分由光引發(fā)聚合物形成的微孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成；同時所述管道層對應(yīng)固相萃取填料填充管道區(qū)域背面加工有微型加熱電極和溫度感應(yīng)電極，用于加熱控溫。本發(fā)明可應(yīng)用于分析化學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域的微量樣品快速萃取。
文檔編號G01N1/40GK101067621SQ200710041619
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月5日
發(fā)明者封松林, 李剛, 程建功, 陳強, 周洪波, 楊夢蘇, 趙建龍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所