專利名稱：一種芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置的制作方法
一種芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析化學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域，具體地說是一種芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置。二、背景技術(shù)
復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，尤其是帶有多個電活性基團的有機物的電氧化或電還原，通常產(chǎn)生多種產(chǎn)物及中間體。對這種復(fù)雜反應(yīng)體系進行各產(chǎn)物的分離檢測是電極反應(yīng)機理、 動力學(xué)研究及相關(guān)應(yīng)用開發(fā)所必須的。國內(nèi)外對電解產(chǎn)物進行分離的方法主要有高效液相色譜(A. Sakalis,D. Vanerkova, M. Holcapek,P. Jandera, A. Voulgaropoulos, Chemosphere ； 2007，67，1940)，氣相色譜(A. Zhou, S. Kikandi，0. A. Sadik, Electrochem. Commun.，2007，9， 2246)和薄層色譜(Electrochim Acta ；Iwakura C, M. Tsunaga, Tamura H ； 1972，17，1391) 等。電解液體積一般取IO-IOOmL,即使采用了大面積電極，整體電解時間也一般長達數(shù)小時。長時間電解帶來一系列問題，包括反應(yīng)產(chǎn)物的吸附嚴重鈍化電極表面、電活性中間體信息丟失、反應(yīng)過程受環(huán)境因素的干擾較嚴重等?？梢?，實現(xiàn)反應(yīng)物的快速轉(zhuǎn)化及產(chǎn)物的在線分離檢測是有機及生物電化學(xué)研究的迫切需要。為此，較早期國內(nèi)外曾有用汞薄層電極或進樣閥電化學(xué)池制備電解產(chǎn)物供在線氣相色譜分離檢測。申請人前期在薄層光譜電化學(xué)池的基礎(chǔ)上增設(shè)了毛細管接口通道，制作了一種帶毛細管接口的薄層長光程光譜電化學(xué)池并申請了中國專利(申請?zhí)?00910144971. 2)，使之具備原位光譜電化學(xué)測試和產(chǎn)生微量電解樣品供毛細管電泳分離檢測的雙重功能。
毛細管電泳的一大優(yōu)勢是易于芯片化，在方寸芯片上與其它單元如儲液池、微混合反應(yīng)池、微通道網(wǎng)絡(luò)與分離通道等靈活組合、規(guī)模集成。同樣，易與微加工兼容的電化學(xué)測試技術(shù)，如安培法、電化學(xué)發(fā)光法、電化學(xué)酶聯(lián)免疫測定法等，近年來被國內(nèi)外學(xué)者用于毛細管電泳柱后檢測(如中國專禾U 01128402 ；02116453. 3 ；03145053 ；200410041174 ； 200410014599等)，這些進展體現(xiàn)了電解池系統(tǒng)易于微型化和集成化的優(yōu)勢。如今毛細管電泳及微流控毛細管電泳已從單純樣品分析拓展到分子間相互作用，用于研究化學(xué)反應(yīng)和酶反應(yīng)的動力學(xué)、小分子與生物大分子的動態(tài)作用以及細胞研究等。相關(guān)實驗是基于微混合、微反應(yīng)技術(shù)而開展的。目前微流控芯片上的“混合反應(yīng)”這一單元操作已實現(xiàn)有機反應(yīng)、 酶反應(yīng)、PCR反應(yīng)及免疫反應(yīng)等類型，但迄今還未見電化學(xué)反應(yīng)這種類型的報道，這與需構(gòu)建結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的快速微電解池有關(guān)。三、發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)研究的需要，提供一種芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置，旨在實現(xiàn)電化學(xué)復(fù)雜反應(yīng)產(chǎn)物的在線快速分離檢測。所要解決的技術(shù)問題是將三電極電化學(xué)池和毛細管在線進樣集約化、微型化。
本發(fā)明的思路是將薄層電解室、輔助電極室、參比電極室、緩沖液池、微流控通道和電極引線集成在一塊以蓋片和基片構(gòu)成的芯片上，可以方便地調(diào)節(jié)微流控通道內(nèi)的毛細管的位置，以分別實現(xiàn)毛細管電泳在線進樣和毛細管電泳分離。
本發(fā)明的技術(shù)方案包括芯片和芯片上集成的三電極電化學(xué)池和毛細管進樣機構(gòu)， 與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別是所述的芯片由相對較薄的蓋片1和相對較厚的基片11所構(gòu)成，在蓋片 1上設(shè)置四片電極導(dǎo)流銅片7，同時在蓋片1的中心位置開有矩形或正方形通孔，由嵌入該孔的薄片狀工作電極、墊片13和基片11上對應(yīng)通孔位置的表面構(gòu)成薄層電解室16，一根工作電極引線3連接工作電極和一片銅片7，工作電極由背板2和電極片14組成，在蓋片1上還開有四只注液孔6、8、8和9，依次分別與緩沖液池17、兩輔助電極室20和參比電極室18 連通；在基片11上設(shè)置緩沖液池17，池內(nèi)置入一根鉬絲電泳電極19，同時在基片11上設(shè)置通道式的參比電極室18，通道(即參比電極室18)的一端與薄層電解室16連通，一根Ag/ AgCl參比電極22的一端與一片銅片7連接，在基片11上還設(shè)置兩個長方形凹槽式輔助電極室20，兩個輔助電極室位于薄層電解室16外對稱的兩側(cè)，一根鉬絲輔助電極21串聯(lián)兩輔助電極室20，其一端與一片銅片7連接。
所述的毛細管進樣機構(gòu)是在蓋片1和基片11接觸界面的軸線方向上固定一條與芯片基本等長的微流控通道12 (下稱通道12)，在通道12上開有試樣進口 15和緩沖液進口 M分別與薄層電解室16和緩沖液池17相連通，在通道12內(nèi)置放一根相對較短的毛細棒5(下稱棒幻和一根相對較長的分離毛細管10 (下稱管10)，管10的末端連接在電泳儀檢測池上，棒5和管10的外徑與通道12的內(nèi)徑相配合且可在通道12內(nèi)左右滑動(位移)， 棒5上固定有限位套4，其作用是當棒5向內(nèi)位移至最大行程時其端面位于試樣進口 15處但并不封堵該進口 15，管10上也固定有限位套23，其作用是當管10向內(nèi)位移至最大行程時其端口位于緩沖液進口 M處但并不封堵該進口對。
三電極電化學(xué)池電解反應(yīng)時，試樣進口 15為管10封堵，反應(yīng)結(jié)束后進樣，將棒5 向內(nèi)推移至最大行程，到位后繼續(xù)向外拉移管10開啟試樣進口 15，使薄層電解室16內(nèi)的試樣進入管10，進樣結(jié)束后將管10向內(nèi)推移復(fù)位，使多余試樣被壓回薄層電解室16，繼續(xù)向內(nèi)推移管10至最大行程，到位后繼續(xù)向外拉移棒5開啟緩沖液進口 24，至此可加高壓進行毛細管電泳分離檢測。
本發(fā)明首次實現(xiàn)了在芯片上三電極薄層電化學(xué)池與微流控毛細管通道的組裝，將薄層室、輔助電極室、參比電極室、微流控進樣通道、緩沖液池和電極引線集成在一塊常規(guī)尺寸的雙層結(jié)構(gòu)的芯片上，為芯片實驗室混合反應(yīng)單元增添“電化學(xué)反應(yīng)”這一新成員，拓展了芯片實驗室和毛細管電泳技術(shù)的應(yīng)用范疇。
本發(fā)明以厘米尺度的片狀工作電極和亞毫米厚度的薄層電解室，經(jīng)幾秒到幾分鐘的不同程度的電解，產(chǎn)生幾十微升的樣品量，可供多次毛細管電泳進樣后再行電泳分離。每次毛細管進樣量僅需納升級，用極細內(nèi)徑的彈性石英毛細管作為分離載體。芯片典型尺寸為35mmX25mmX6mm，反應(yīng)物的電解、產(chǎn)物樣品的進樣和高壓電泳分離都在芯片(及電泳儀)上完成。
該芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置具有如下特點
(1)芯片結(jié)構(gòu)合理簡約，加工制作簡便，實驗操作易控，并可長期反復(fù)使用。
(2)結(jié)合了芯片微流控和長分離通道兩方面的優(yōu)點，改善了混合組分的分離度并使電泳測試結(jié)果更具重現(xiàn)性。
(3)進樣前的瞬間，微量樣品脫離電極表面而立即終止電化學(xué)反應(yīng)，從而可準確確定反應(yīng)時間。
(4)有效地減輕了進樣死體積的不利影響。
(5)工作電極材料不受限制，使用時可方便地固定于芯片中或取出清洗。
(6)本裝置可以應(yīng)用于對復(fù)雜電極反應(yīng)動力學(xué)研究及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的測試。四

圖1是本裝置的俯視圖。圖中1蓋片；2工作電極背板；3工作電極引線；4毛細棒限位套；5毛細棒；6緩沖液池注液孔；7電極導(dǎo)流銅片；8輔助電極室注液孔；9參比電極室注液孔；10分離毛細管。
圖2是圖1中截面AA的剖面圖。圖中1蓋片；2工作電極背板；3工作電極引線；4毛細棒限位套；5毛細棒；10分離毛細管；11基片。
圖3是圖1中截面BB的剖面圖。圖中1蓋片；2工作電極背板；3工作電極引線；4毛細棒限位套；5毛細棒；10分離毛細管；11基片；12微流控通道；13墊片；14工作電極片；15試樣進口 ；16薄層電解室。
圖4是圖1中截面CC的剖面圖。圖中6緩沖液池注液孔；9參比電極室注液孔； 17緩沖液池；18參比電極室。
圖5是圖4中截面DD的剖面圖(分離毛細管10處于進樣位置)。圖中4毛細棒限位套；5毛細棒；10分離毛細管；11基片；13墊片；15試樣進口；17緩沖液池；19鉬絲電泳電極；20輔助電極室；21鉬絲輔助電極；22 Ag/AgCl參比電極。
圖6是圖4中截面DD的剖面圖(分離毛細管10處于電泳運行位置)。圖中5毛細棒；10分離毛細管；11基片；13墊片；15進樣口；17緩沖液池；19鉬絲電泳電極；20 輔助電極室；21鉬絲輔助電極；22 Ag/AgCl參比電極；23毛細管限位套；24緩沖液進口。
圖7是采用圖1-圖6所示的微流控在線進樣裝置測得的槲皮素薄層循環(huán)伏安圖。 槲皮素濃度為5 X 10_4mO 1 · L-1，電解液pH = 2. 2，掃描速率為2mV · s-1。
圖8是采用圖1-圖6所示的微流控在線進樣裝置測得的槲皮素恒電勢氧化產(chǎn)物的在線毛細管電泳譜圖。電解液同圖7，電解電勢為0. 55V，電解時間為60s ；電泳進樣時間為30s,電泳運行液為20mmol ·廠1 Na2B407pH = 9. 2，分離電壓為20kV,紫外檢測波長為 210nm。五具體實施方式
結(jié)合附圖，非限定實施例敘述如下
實施例1 制作芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置
本例中，分別取2mm和4mm厚的聚苯乙烯(PS)板加工蓋片1和基片11，尺寸分別截取為35mmX 25mm和35mmX 20mm。在如圖1所示的蓋片1上相應(yīng)位置分別開出一 IOmmX IOmm 方形通孔、兩個輔助電極室注液孔8、一個參比電極室注液孔9和一個緩沖液池注液孔6。在蓋片1上粘上四片電極導(dǎo)流銅片7，其中三片分別與鉬絲電泳電極19、鉬絲輔助電極21和 Ag/AgCl參比電極22的引線連接，另一片用于在電解時與工作電極引線3連接。
在基片11上鉆一通道式參比電極室18(圖4)，內(nèi)置Ag/AgCl參比電極22，電極引線與一片銅片7連接，參比電極室18的末端以微孔與薄層電解室16中部相通。
在基片11上對應(yīng)蓋片1正方形孔的對邊外兩側(cè)開出兩個對稱的長方形凹槽作為輔助電極室20 (圖5)，一根Pt絲輔助電極21串聯(lián)兩個輔助電極室20，一端與一片銅片7 連接。
在基片11上鉆出直徑約5mm、深4mm的緩沖液池17 (圖4、圖5)。用于存放電泳運行緩沖液。內(nèi)置鉬絲電泳電極19，一端與一片銅片7連接。
在基片11的長軸線位置上嵌入一段不銹鋼管作為微流控通道12，長35mm，內(nèi)徑 0. 4mm，在通道12的確定位置上鉆有兩個微孔，即試樣進口 15和緩沖液進口 24，分別與薄層電解室16和緩沖液池17相通。通道內(nèi)置兩根外徑與通道內(nèi)徑密合的毛細管和毛細棒， 一根分離毛細管10作為電泳分離通道，長度為45cm，末端與電泳儀檢測池相連；另一根毛細棒5長度為km。兩對接端截面打磨平整并與毛細管軸向垂直。在毛細棒5和毛細管10 的精確位置上分別固定限位套4 (圖幻和限位套23(圖6)。
蓋片1和基片11之間用環(huán)氧樹脂膠粘合。但在薄層電解室16與兩側(cè)輔助電極室 20之間區(qū)域，基片與蓋片之間不用膠封或熱封，自然存在的微縫隙作為電解時的電流通道。 在正方形孔未開挖長方形凹槽的兩條對邊的內(nèi)側(cè)底面(即基片11表面)，用膠各貼上一厚度0. 2mm、寬度Imm的墊片13 (圖3、圖5)。由背板2上固定的工作電極片14組成的工作電極與基片11之間構(gòu)成薄層電解室16，工作電極引線3 —端與一片銅片7連接。
實施例2 在線分離檢測電解產(chǎn)物
將實施例1制得的芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置用于恒電勢氧化槲皮素，制備微量電解樣品供毛細管電泳儀進行在線分離檢測。電泳測試采用 CL1020高效毛細管電泳儀(北京彩陸科學(xué)儀器有限公司)，配紫外檢測器，熔融石英毛細管內(nèi)徑50 μ m(河北永年光導(dǎo)纖維廠)。電化學(xué)系統(tǒng)同實施例1。槲皮素濃度為5X IO-4Hiol化―1， 電解液PH = 2. 2，電解電勢為0. 55V，電解時間為60s ； IOcm高差進樣30s，電泳運行液為 20mmol · Γ1 Na2B4O7 (ρΗ = 9. 2)，分離電壓為20kV,紫外檢測波長為210nm。所得毛細管電泳譜圖見附圖8。
權(quán)利要求
1. 一種芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置，包括芯片和芯片上集成的三電極電化學(xué)池和毛細管進樣機構(gòu)，其特征在于所述的芯片由蓋片(1)和基片(11)所構(gòu)成，在蓋片(1)上設(shè)置四片電極導(dǎo)流銅片(7)，在蓋片(1)的中心位置開有矩形或正方形通孔，由嵌入該孔的由背板⑵和電極片(14)組成的片狀工作電極、墊片(13)和基片(11) 上對應(yīng)該孔位置的表面構(gòu)成薄層電解室(16)，一根工作電極引線(3)連接工作電極和一片銅片(7)，在蓋片(1)上還開有注液孔(6)、(8)、(8)和(9)，依次分別與緩沖液池(17)、兩輔助電極室00)和參比電極室(18)連通；在基片(11)上設(shè)置緩沖液池(17)，池內(nèi)置入一根鉬絲電泳電極(19)，在基片(11)上設(shè)置通道式的參比電極室(18)，其一端與薄層電解室(16)連通，一根Ag/AgCl參比電極02)的一端連接一片銅片(7)，在基片(11)上設(shè)置兩個長方形凹槽式輔助電極室(20)，兩個輔助電極室OO)位于薄層電解室(16)外對稱的兩側(cè)，一根鉬絲輔助電極串聯(lián)兩輔助電極室(20)，其一端連接一片銅片(7)；在蓋片(1) 和基片(11)接觸界面的軸線方向上固定一條與芯片基本等長的微流控通道(12)，在微流控通道(1 上開有試樣進口(1 和緩沖液進口 04)分別與薄層電解室(16)和緩沖液池(17)連通，在微流控通道(1 內(nèi)置放一根毛細棒( 和一根分離毛細管(10)，毛細棒(5) 和分離毛細管(10)的外徑與微流控通道(1 的內(nèi)徑相配合且可在其內(nèi)左右滑動，毛細棒 (5)和分離毛細管(10)各固定一限位套(4)和限位套(23) 0
全文摘要
一種芯片式薄層電解池毛細管電泳微流控在線進樣裝置，采用雙層芯片結(jié)構(gòu)，首次實現(xiàn)了在芯片上三電極薄層電化學(xué)池與微流控毛細管通道的組裝，將薄層室、輔助電極室、參比電極室、微流控進樣通道、緩沖液池和電極引線集成在一塊35mm×25mm×6mm的芯片上，實現(xiàn)與毛細管電泳儀的聯(lián)用及反應(yīng)產(chǎn)物的在線分離檢測。薄層池產(chǎn)生μL級的樣品量，單次進樣量為nL級，可在電化學(xué)反應(yīng)過程中連續(xù)多次在線進樣后一次分離。裝置結(jié)構(gòu)合理，操作易控，電極拆裝和更換方便，工作電極材料可選。本發(fā)明可以應(yīng)用于對復(fù)雜電極反應(yīng)動力學(xué)研究及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的測試。
文檔編號G01N27/447GK102507708SQ20111032363
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者何建波, 余沐洋, 崔廷, 陳俊聰 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)