專利名稱：微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微流控分析技術領域，特別涉及一種微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置。
背景技術：
微流控技術(或稱微流控學)是在微米級結構中操控納升(nl)至皮升(pl)體積流體的 技術與科學[方肇倫，微流控分析芯片的制作及應用，化學工業(yè)出版社，200.5， 4]。以微流控 學為核心技術的微流控分析已成為當代分析科學發(fā)展的前沿領域。微流控分析具有分析速度 快、試樣和試劑消耗少、集成化程度高、體積小等明顯的優(yōu)越性，己逐漸在化學和生物檢驗 中發(fā)揮重要作用。分析系統(tǒng)的微型化對檢測器提出了相應的要求，更少的試樣體積要求更靈敏的檢測器與 之相適應，微型化的分離、反應等系統(tǒng)要求微型化的檢測器與之相匹配。熒光檢測器具有靈 敏度高、選擇性好、響應速度快等特點，在微流控分析領域得到廣泛應用。微流控分析熒光 檢測器常用的光源包括激光器和發(fā)光二極管(LED)，無論使用那種光源，常常需要復雜的光 學系統(tǒng)，實現(xiàn)對光傳播方向進行控制，有效消除噪聲干擾，提高熒光收集效率。因此，若要 減小熒光檢測器的體積，必須將相應的光學系統(tǒng)進行微型化。目前報道的光學系統(tǒng)微型化方 法， 一種是通過微加工技術，將部分或全部光學元件直接加工在微流控分析芯片上[Patrick Dumais, Claire L. Cailender, Christopher J. Ledderhof, Julian P. Noad, Applied Optics, Vol, 45, No. 36, 2006, 9182-9190]，這種方法可以達到微型化和集成化的目的，但需要精細的芯片加工技 術和昂貴的加工設備，使芯片成本大大提高；另一種方法是通過簡化光學系統(tǒng)，如使用光纖[徐 章潤，王世立，樊曉峰，王福仁，方肇倫，分析化學，Vol. 31,No. 12,2003， 1527-1530]、改 變光路等[Jinglin Fu， Qun Fang, Ting Zhang, Xinhua Jin， Zhaolun Fang, Analytical Chemistry, Vol. 78, No. 11,2006, 3827-3834]，達到檢測系統(tǒng)小型化的目的，但仍需要較多光學元件，難以實 現(xiàn)微型化。液芯波導現(xiàn)象是由于光線在管道內發(fā)生全反射產(chǎn)生的。當管道內的液體折射率高于管道 壁材質的折射率，且入射光線的入射角大于臨界入射角時，光線在液體與管道壁的界面上發(fā) 生全反射，在一定角度內的光將沿液芯軸向傳播，即形成液芯波導現(xiàn)象。液芯波導作為一種 光傳導方式，己被應用于長光程吸收檢測、化學發(fā)光檢測、熒光檢測、拉曼光譜檢測等各種 光學檢測系統(tǒng)[Tim Dallas, Purnendu K. Dasgupta, Trends in Analytical Chemistry, Vol. 23， No. 5, 2004,385-392]。在微流控分析領域，液芯波導已在微流控分析長光程吸收光度檢測中得到成 功應用[Wenbin Du， Qun Fang， Qiaohong He, Zhaolun Fang, Analytical Chemistry, Vol. 77， No. 5, 2005,1330-1337]。但在簡化光學系統(tǒng)，使微流控分析儀器小型化方面的應用研究仍然較少。發(fā)明內容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置。 通過使用同一根液芯波導管既作為毛細管電泳分離通道，又作為光源激發(fā)光和熒光信號分離、 熒光信號傳導的光學元件，建立體積小、靈敏度高的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝 置。本發(fā)明的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，包括液芯波導毛細管、激發(fā)光光源、 光電檢測器、高壓電源、電極、儲液池、試樣管、針孔光闌、濾光片和遮光板。其中光電檢 測器為光電倍增管、光電二極管或電荷耦合器件(CCD)，其光信號接收端連接遮光板，遮光 板由不透光塑料或金屬材料制成，厚度為0.1 2毫米，可打開和關閉光電檢測器光窗，對光 電檢測器起保護作用；遮光板后緊貼濾光片，濾光片為光學干涉濾光片或有色玻璃濾光片； 濾光片后緊貼儲液池壁，儲液池壁材質為透明塑料或玻璃材料，厚度為50微米 5毫米，其 厚度越小，檢測效果越好。液芯波導毛細管的出口端插入儲液池中，并接近儲液池壁和光電檢測器光窗，以提高檢測靈敏度；液芯波導毛細管為透明毛細管或位于透明平板內的微管道，其外壁有涂層材料， 管壁或其外壁的涂層材料的折射率小于管內溶液的折射率；管孔的橫截面為圓形、橢圓形、矩形或梯形，管長為1厘米 2米，內徑為1微米 1毫米，為提高分離分析速度，常使用長 度不大于20厘米的液芯波導毛細管；液芯波導毛細管的入口端插入試樣管中；儲液池、試樣 管和液芯波導毛細管內部連通。儲液池的上方有一個注射器連接開口和電極插口，注射器連接開口為圓臺型，可與醫(yī)用 注射器連接，通過注射器推動空氣，在液面上施加壓力，從而使溶液或凝膠進入液芯波導毛 細管中，起到?jīng)_洗液芯波導毛細管或灌膠的作用。液芯波導毛細管靠近儲液池外壁處連接針孔光闌，針孔光闌距離液芯波導毛細管的出口 1毫米 10厘米，針孔光闌距離液芯波導毛細管的入口端為液芯波導毛細管電泳有效分離長 度；針孔光闌和液芯波導毛細管固定在同一基片上，確保針孔光闌上的針孔和液芯波導毛細 管的相對位置保持不變；針孔由鉆頭或激光在金屬或不透光塑料片上打孔而得，針孔的孔徑 為1微米 1毫米，針孔中心正對液芯波導毛細管軸線；針孔盡可能貼近于液芯波導毛細管， 以減少光衍射對分離度的影響。針孔光闌的另一側正對激發(fā)光光源，激發(fā)光光源為發(fā)光二極管、激光器或發(fā)光二極管陣 列，激發(fā)光光源發(fā)出的光可垂直射入液芯波導毛細管。由熒光染料標記的樣品溶液在直流電源電場的作用下，由液芯波導毛細管入口端流向出 口端；激發(fā)光光源發(fā)出的光通過針孔光闌垂直照射液芯波導毛細管，熒光染料標記的樣品經(jīng) 過針孔光闌時被激發(fā)而發(fā)射出熒光，入射角大于臨界角的熒光在液芯波導毛細管管壁或外壁 涂層上發(fā)生全反射，熒光沿液芯波導毛細管軸向傳導，光源發(fā)出的光則垂直通過或被反射， 不沿軸向傳導，從而實現(xiàn)光源發(fā)出的光和激發(fā)產(chǎn)生的熒光的分離；從液芯波導毛細管傳導出 的熒光，通過儲液池壁、濾光片由光電檢測器接收。本發(fā)明中液芯波導毛細管出口端導出的熒光可不必經(jīng)透鏡收集，而直接經(jīng)濾光片進入光 電檢測器，使裝置結構更加緊湊；也可由透鏡或光纖收集后，經(jīng)濾光片進入光電檢測器。本 發(fā)明根據(jù)液芯波導現(xiàn)象，采用由外壁有涂層材料的透明毛細管或位于透明平板內的微管道， 設計制作本發(fā)明。本發(fā)明的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，不但具有高靈敏度、選擇性好、速 度快的特點，實現(xiàn)對激發(fā)熒光傳播方向進行控制，提高熒光收集效率，而且最大限度地減少 使用光學元件，簡化光學系統(tǒng)，從而為研制小型化的微流控分析儀器提供一條可行的技術路 線。


圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置構造示意圖。其中 l激光光源(激光器)，2激光束，3針孔光闌，4外壁涂覆無定形聚四氟乙烯(TeflonAF) 涂層的石英毛細管(液芯波導毛細管)，5儲液池，6儲液池壁(透明光窗)，7濾光片，8光 電倍增管(光電檢測器)，9試樣管，IO直流高壓電源，ll電源正極鉑絲，12電源負極鉑絲， 13注射器連接開口， 14遮光板。圖2為熒光信號在液芯波導管內傳導的光路示意圖。其中2激光束，3針孔光闌，15液 芯波導毛細管通道，16激發(fā)熒光大于臨界角80.05°的光線，17液芯波導毛細管管壁，18液 芯波導毛細管管壁涂層(TeflonAF涂層)。圖3為安裝圖1實施例結構的分析系統(tǒng)分離檢測<DX174-Hae III酶水解液DNA標準樣品 的記錄譜圖。圖4為安裝圖1實施例結構的分析系統(tǒng)分離檢測氨基酸混合試樣的記錄譜圖。
具體實施方式
附圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置構造示意圖，光 電檢測器8為光電倍增管，其光信號接收端為遮光板14，遮光板14為厚度0.5毫米的黑色塑 料片；遮光板14緊貼濾光片7，濾光片7為截止波長560納米的長波通光學干涉濾光片；濾 光片7緊貼儲液池5，儲液池5的儲液池壁6材質為玻璃，厚度為0.5毫米，用環(huán)氧樹脂膠將 儲液池壁6和儲液池5粘接在一起，儲液池壁6除與液芯波導毛細管出口端對應處外，其它 地方涂刷黑色油漆，未涂黑的地方作為傳導熒光的透明光窗；儲液池5內插入液芯波導毛細 管4的出口端，用環(huán)氧樹脂膠固定，液芯波導毛細管4為外壁涂覆無定形聚四氟乙烯(Teflon AF)涂層的石英毛細管，內徑為50微米，外徑為365微米，長度為7厘米，液芯波導毛細 管4的出口端正對作為透明光窗的儲液池壁6，間距200微米；液芯波導毛細管4的入口端 插入試樣管9中，試樣管9為0.2毫升的塑料離心管，儲液池5、試樣管9和液芯波導毛細 管4內部連通；儲液池5上方為注射器連接開口 13。直流高壓電源10的電源正極鉑絲11插入儲液池5中，電源負極鉑絲12插入試樣管9中， 直流高壓電源10為實驗室自制直流高壓電源，可在液芯波導毛細管4內產(chǎn)生150伏/厘米的 電場強度。液芯波導毛細管4靠近儲液池5外壁處連接針孔光闌3，針孔光闌3的針孔孔徑為200 微米，用麻花鉆在金屬片上打孔制得，金屬片事先用黑色油漆涂成黑色，針孔光闌3距離液 芯波導毛細管4出口端15毫米，和液芯波導毛細管固定在同一基片上，針孔光闌3上的針孔 中心正對液芯波導毛細管軸線。針孔光闌3的另一側正對激光光源1，激光光源1產(chǎn)生的激光束2可垂直射入液芯波導 毛細管4。附圖2為本發(fā)明中微流控電泳液芯波導檢測裝置中的光路示意圖，在液芯波導毛細管通 道15內，熒光染料標記的被測試樣品溶液的折射率為1.33，液芯波導毛細管壁17的折射率 為1.52，無定形聚四氟乙烯(TeflonAF)涂層18的折射率為1.31。當大于臨界角80.05°的熒 光信號光線16在通道內傳導時，光線在無定形聚四氟乙烯(TeflonAF)涂層18內壁就會發(fā) 生全反射現(xiàn)象，沿液芯波導毛細管4軸向傳導。激光束2通過針孔3垂直照射到液芯波導毛 細管4的管壁17和涂層18上，不會沿液芯波導毛細管4軸向傳播；而激發(fā)產(chǎn)生的熒光，其 中入射角大于80.05°的光線則沿液芯波導毛細管通道軸向傳導，從而實現(xiàn)了光源激光2和熒 光信號光線16的分離。圖3為安裝了圖1實施例裝置的微流控毛細管電泳分析系統(tǒng)對OX174-Hae III酶水解液 DNA標準樣品分離檢測的譜圖，樣品濃度為5ng/pL,使用中心波長532nm、功率10mW的 二極管激光器作為光源，4.0% (w/v)聚乙烯吡咯垸酮(PVP)作為篩分介質，熒光染料為 SYTOX Orange，分離場強150 V/cm， 11個DNA片段在5 min內均被有效分離和檢測，603 bp DNA片段的理論塔板數(shù)達7.3xl0V米，檢出限為0.4ng^L(S/N=3)。圖4為安裝了圖1實施例裝置的微流控毛細管電泳分析系統(tǒng)對氨酸、亮氨酸、甘氨酸3 種氨基酸混合試樣的分離檢測譜圖?；旌习被針悠分芯彼帷⒘涟彼岷透拾彼岬臐舛确謩e 為O.l、 0.2、 0.1 ^mol/L，使用中心波長473 nm、功率10 mW的二極管激光器作為光源，熒 光染料為異硫氰酸熒光素，分離場強為320 V/cm， 3種氨基酸在3 min內被基線分離，其中 精氨酸的塔板高度為6.0微米，檢出限為3.0nmol/L(S/N=3)。
權利要求
1.一種微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于該裝置主要包括液芯波導毛細管、激發(fā)光光源、光電檢測器、高壓電源、電極、儲液池、試樣管、針孔光闌、濾光片和遮光板，其中光電檢測器的光信號接收端連接遮光板，遮光板后緊貼濾光片，濾光片后緊貼儲液池壁，液芯波導毛細管的兩端分別插入儲液池和試樣管中，高壓電源的兩個電極分別接鉑絲插入儲液池和試樣管中，液芯波導毛細管靠近儲液池外壁處連接針孔光闌；利用液芯波導現(xiàn)象，使用同一根液芯波導毛細管既用于毛細管電泳分離通道，又用于熒光信號傳導。
2. 根據(jù)權利要求1所述的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于所述液 芯波導毛細管液芯波導毛細管為透明毛細管或位于平板上的透明微管道，其通道橫截面為 圓形、橢圓形、矩形或梯形，管長為1厘米 2米，內徑為1微米 1毫米。
3. 根據(jù)權利要求2所述的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于所述液 芯波導毛細管其外壁涂覆涂料，當液芯波導毛細管道有樣品液體流動時，由于涂料的折射 率小于液芯波導毛細管內液體的折射率，所以大于臨界角的入射光和液芯波導毛細管內產(chǎn)生 的大于臨界角的光，在液芯波導毛細管壁上發(fā)生內全反射，使其在液芯波導管內沿軸向傳導。
4. 根據(jù)權利要求1所述的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于所述儲 液池壁液芯波導毛細管出口端正對的儲液池壁為透明塑料或透明玻璃材料，儲液池壁的厚 度為50微米 5毫米。
5. 根據(jù)權利要求4所述的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于所述儲 液池儲液池其上端的注射器連接開口為圓臺形，可與注射器連接，通過注射器推動空氣， 在液面上施加壓力，從而使凝膠或溶液進入毛細管中。
6. 根據(jù)權利要求l所述的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于激發(fā)光 光源和針孔光闌激發(fā)光光源為發(fā)光二極管、激光器或發(fā)光二極管陣列，激發(fā)光光源產(chǎn)生的 光通過聚焦或直接通過針孔光闌上的針孔垂直照射在毛細管上，針孔光闌和液芯波導毛細管 固定在同一基片上，并貼近液芯波導毛細管，針孔中心正對液芯波導毛細管內孔軸線，針孔 的直徑為1微米 1毫米。
7. 根據(jù)權利要求l所述的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于光電檢 測器液芯波導毛細管出口端導出的激發(fā)熒光直接經(jīng)濾光片進入光電檢測器，或由透鏡收集 后經(jīng)濾光片進入光電檢測器；所用光電檢測器為光電二極管、光電倍增管、電荷耦合器件。
8. 根據(jù)權利要求7所述的微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，其特征在于液芯波 導毛細管出口液芯波導毛細管出口端應接近光電檢測器光窗，以提高檢測靈敏度。
全文摘要
一種微流控毛細管電泳液芯波導熒光檢測裝置，包括液芯波導毛細管、激發(fā)光光源、光電檢測器、高壓電源、電極、儲液池、試樣管、針孔光闌、濾光片和遮光板，該裝置利用液芯波導現(xiàn)象，使用同一根液芯波導毛細管既用于毛細管電泳分離通道，又用于熒光信號傳導。本發(fā)明中，激發(fā)光光源發(fā)出的光可不必經(jīng)過透鏡聚焦，而直接經(jīng)針孔光闌垂直照射在液芯波導毛細管上；液芯波導毛細管出口端導出的熒光可不必經(jīng)透鏡收集，而直接經(jīng)濾光片進入光電檢測器。使用液芯波導毛細管，同時作為微流控毛細管電泳分離通道和光傳導通道，最大限度地減少光學元件，簡化光學系統(tǒng)，并使裝置結構更加緊湊，從而為研制小型化的微流控分析儀器提供一條可行的技術路線。
文檔編號G01N21/64GK101271070SQ20081001132
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權日2008年5月9日
發(fā)明者徐章潤, 方肇倫, 樊曉峰, 王世立 申請人:東北大學