论文部分内容阅读
微流控芯片分析具有样品和试剂消耗少、分析时间短、通量高、便携等优点，已成为当前分析化学领域的的一个重要研究方向，在基因分析、免疫分析、单细胞分析、药物分析、临床检测、环境监控等诸多领域展现出广阔的应用前景。微流控芯片常用的基质材料包括玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯等。其中，玻璃具有较强的亲水性和良好的光透性，玻璃芯片加工技术成熟可靠。但玻璃芯片加工过程较繁琐，成本较高。而且，玻璃芯片一旦堵塞很难处理，无法继续使用。采用杂化的玻璃/PDMS芯片可以使玻璃芯片重复使用，从而大大降低使用成本。PDMS芯片易于成形、可批量生产、光透性好、无毒、成本低，应用潜力极大。然而，其通道构型由模板复制而来，不能更改。而且，PDMS芯片微通道内电渗流稳定性较差、表面疏水性较强、易于吸附样品，必须进行修饰改性。为了满足人类生活、生产的需求，研究者们在不断探索与发展快速、准确、高通量、实时的分析方法，其中，微流控芯片技术是最受瞩目的热点。如何提高分离的效率，实现对复杂样品的分离与分析是微流控芯片研究中的关键问题。采用修饰、优化条件等方法来提高分离效能的研究工作很多，而从芯片结构出发，通过设计特殊的通道来提高分离效能主要集中在改善进样方面，对于分离过程较少涉及。目前，科学家们已实现了基于微流控技术的多种分离模式。然而，这些孤立式分离模式受峰容量的限制，还难以实现对复杂样品的分离与鉴定。为此，发展芯片多维分离方法势在必行。本文建立了在表面修饰的PDMS芯片上分离氨基酸的快速高效的微流控芯片方法。加工制作了掺杂的PDMS芯片，可以抑制样品的吸附，获得稳定的电渗流，提高了分离效能。设计制作了不同通道构型的玻璃/PDMS杂化芯片，提高了样品的分离速度。对二维芯片毛细管电泳进行了初步的研究，考察了不同通道构型的玻璃芯片和PDMS芯片上溶液在通道之间的泄漏行为，对抑制泄漏的方法进行了探索。主要内容如下：
1、表面修饰的PDMS芯片上分离氨基酸的研究。氨基酸与PDMS之间的相互作用，造成电泳分离过程中氨基酸在PDMS芯片微通道内产生强烈的吸附，使样品峰拖尾，分离效率下降。为了抑制样品吸附，采用两种PDMS芯片的表面修饰方法。(1)利用氧等离了体对PDMS芯片进行氧化处理；(2)对PDMS芯片进行氧等离子体氧化后，用聚乙烯醇(PVA)进行涂层修饰。与未修饰的PDMS芯片相比，离子体氧化的PDMS芯片的电渗流增大，PVA涂层的PDMS芯片的电渗流减小。建立了5—(4，6-二氯—s—三嗪-2-氨基)荧光素(DTAF)衍生的五种氨基酸(精氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸和谷氨酸)的芯片电泳分析方法。对分离条件，包括缓冲溶液的pH、缓冲溶液的浓度以及分离电压等进行了优化。在优化的条件下，DTAF标记的氨基酸分别在50s和90s内被成功分离，两种修饰的PDMS芯片的分离柱效达1.93×105～1.37×106plates/m。
2、两亲性嵌段聚合物本体修饰PDMS芯片研究。通常对芯片进行表面修饰可以有效提高分离效能，但对于更加微细的通道，往往很难实现润湿和粘合。通过向基体材料中加入改性剂，对芯片进行本体修饰的方法有望解决这些问题。以两亲性嵌段共聚物(聚乳酸—聚乙二醇，PLA—PEG)作为添加剂，制作了掺杂的聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片。与未修饰的PDMS芯片相比，接触角和电渗流都下降了。考察了芯片中添加剂的用量和缓冲溶液pH对电渗流的影响。聚乳酸—聚乙二醇本体修饰的PDMS芯片可成功用于三种氨基酸的分离，并能有效抑制蛋白质的吸附。
3、微通道构型设计应用于芯片毛细管电泳分离的研究。在一般情况下，采用提高分离电压的方法，可以缩短电泳分离分析的时间。但是对于某些体系比如胶束电泳或需要在较高浓度的缓冲体系下才能实现的电泳分离，升高电压的同时会大大增加通道内的焦耳热效应，分离效果急剧变坏。设计制作了两种具有不同通道构型的玻璃/PDMS杂化芯片，一种是在沿十字通道结构的十字交叉口分别增加长度相等的侧支，另一种是在相同的位置将均一的通道设计成加宽通道。使用这两种芯片，在同样的外加电压下，可以将电场强度集中在有效的分离通道上，实现了样品的快速高效的分离，对那些具有较长迁移时间和峰展宽明显的样品效果更加明显。
4、通道构型设计用于二维芯片毛细管电泳中溶液泄漏的研究。二维芯片毛细管电泳可以显著地提高峰容量，特别有利于复杂样品的分析。在通常情况下，在进行第一维分离的过程中，第一维分离通道中的溶液会向第二维分离通道中扩散，产生泄漏，严重时会改变第二维分离通道中缓冲溶液的组成，使二维分离无法进行。采用打印模板技术和模塑法加工了多种具有不同通道结构的PDMS芯片，用标准光刻和蚀刻技术加工了二维玻璃芯片。借助倒置荧光显微镜观察异硫氰酸酯荧光素(FITC)在PDMS芯片、二维玻璃芯片通道中的运动情况，探讨了通道的结构、宽度、液而高度等对芯片毛细管电泳中存在的溶液泄漏的影响。