毛細管電泳芯片

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1、毛細管電泳芯片41113105鐘超群2014/12簡介最近幾年，以毛細管電泳為核心技術、以芯片為操作平臺的芯片毛細管電泳技術迅速崛起，并成為微全化學分析系統(tǒng)（miniaturizedtotalchemicalanalysissystem，-TAS，又稱芯片實驗室，Lab-on-a-chip）的主流技術，有可能在化學分析領域引起新一輪變革。它可以在幾分鐘甚至更短的時間內(nèi)進行上百個樣品的同時分析，這種快速分析的能力及分離泳道的陣列化，可以得到極高的單位信息量。芯片通常只消耗pL級的樣品，并且可以在線實現(xiàn)樣品的予處理

2、及分析全過程，所有這些特點使得芯片毛細管電泳在新一代毛細管電泳儀的研制中，成為一個極為活躍的熱點。分析儀器的芯片化曾在氣相色譜中有所嘗試，但該芯片裝置一直未能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，這種嘗試主要的成功之處在于將微機械技術引入到分析化學領域中。90年代初，開始了芯片毛細管電泳操作模式的研究。目前已在芯片上進行了熒光標記的氨基酸，DNA限制性片段，PCR產(chǎn)物，短鏈寡核苷酸及測序片段等的分離分析研究。在半導體工業(yè)已有的微加工技術的基礎上，通過光蝕刻或微注模技術在芯片上制作出用于進樣和分離的微小通道，是現(xiàn)階段電泳芯片加工的一般

3、途徑。毛細管電泳分離以電滲流為主要驅動力，通過電壓切換即可實現(xiàn)液體流動、進樣和分離，不需要額外的泵和閥。另一方面通過光刻技術制成的電泳通道為自然連接，使整個系統(tǒng)的死體積小到可以忽略，再加上芯片易于陣列化，潛在價格低廉等原因，自90年代初誕生以來，芯片毛細管電泳便得到了飛速的發(fā)展。下面將主要介紹芯片的加工技術，芯片中通道的設計和毛細管電泳技術在芯片上的應用。1.芯片的材料和加工技術2.芯片的構造3.樣品處理和衍生4.檢測方法5.應用1.材料和加工技術材料玻璃是目前使用最多的芯片材料，它的成功應用主要與其所具有的良

4、好的光學性質(zhì)、研究透徹的表面性質(zhì)及從微電子工業(yè)引入的成熟的微加工技術有關。最近，各種聚合物材料也引起了大家的注意，這主要是由于聚合物芯片易于成形，且制作成本相對比較低廉。另外晶體硅、陶瓷、硅橡膠等材料也可用于芯片毛細管電泳的制作，但硅的半導體性質(zhì)不太適合于高電場強度的電泳。玻璃材料的加工目前多采用標準的光蝕刻技術，主要包括4步：膜的沉積、光刻、蝕刻及粘接。膜的沉積：在玻璃表面噴涂上一層金屬掩膜，通常是Cr/Au，在金屬掩膜層上涂上一層光敏劑。光刻：用適當波長的光經(jīng)模板對芯片進行曝光，用適當?shù)母g液除掉已曝光部分

5、的光敏劑和金屬掩膜。蝕刻：對芯片進行化學蝕刻，氫氟酸是最常用的蝕刻劑，可以通過控制溫度來調(diào)控氫氟酸對玻璃的蝕刻速率，用輪廓曲線儀監(jiān)測整個蝕刻過程。微通道蝕刻完成后，將芯片表面剩余的光敏物質(zhì)膜和掩膜除掉。鉆出芯片通道與外界連接的緩沖液池，可以鉆在已蝕刻的基片上或另一片空白的玻璃基片上。粘接：將已蝕刻完成的芯片和另一空白芯片鍵合起來，就可形成一個完整的芯片。通常采用加熱的方法直接進行鍵合，即將玻璃或硅加熱到一定溫度，一般為五、六百度，使兩芯片之間的表面粘接在一起，幾小時到十小時后冷卻。聚合物芯片的制作技術與玻璃芯片

6、有很大的區(qū)別，主要包括激光燒蝕（laserablation），注模（injectionmolding），硅橡膠澆鑄（siliconrubbercasting）或熱凸印法（hotembossing）。加工技術2芯片的構造毛細管電泳芯片狹縫的深度一般為10~40m，寬度為60~200m。在最近幾年中，毛細管電泳芯片的結構設計已取得了顯著的進展。最初的毛細管電泳芯片制作在表面積比較大的基片（14.8×3.9cm）上，只有一條微通道。幾年后出現(xiàn)了包括兩條交叉通道及4個緩沖池（分別為樣品池、廢液池、陽極和陰極池）的芯片。

7、Jacobson等通過將分離通道制作成彎曲的蛇形來增加分離有效距離。為了進一步增加分離距離，Manz等設計出了同步循環(huán)毛細管電泳芯片：通道為環(huán)行，每一邊均帶有一對電極，轉換電極間的電壓就可使分離物沿著環(huán)行通道遷移，從而延長分離距離。在芯片上制作微反應室可以在線實現(xiàn)樣品予處理及柱后衍生。為了提高單位信息量，又產(chǎn)生了陣列毛細管電泳芯片。帶有多條分離通道的毛細管電泳芯片具有其獨特的設計要求，通常會受到底片的大小及檢測等限制。多通道微芯片的一個成功應用是基因分型（genotyping），該芯片具有48條平行分離通道，可

8、以在8min內(nèi)分離2組共96個樣品。但目前使用最多的還是以單條通道為基體派生出來的包括柱前衍生等在內(nèi)的各種芯片。3.樣品處理和衍生在毛細管電泳芯片上可以在線實現(xiàn)進樣、樣品的堆積濃縮及柱前柱后衍生等操作。芯片毛細管電泳分離所需樣品量很小，通常為pL級。在芯片中主要有兩種進樣結構，一是由分離通道（兩端分別與緩沖液池和廢液池相連）和進樣通道（兩端分別與樣品池和樣品廢液池相連）所形成的十字交叉