低電壓電泳芯片分析系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微流控電泳芯片是微全分析系統(tǒng)的重要組成部分，它以高效、快速、樣品消耗少等優(yōu)點，在DNA測序、氨基酸分離、藥物篩選等方面得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為當(dāng)前生物科學(xué)和化學(xué)分析領(lǐng)域的重要研究平臺。但是，傳統(tǒng)微流控電泳芯片需要幾百伏甚至數(shù)千伏的電壓完成樣品的進(jìn)樣和分離，不僅存在安全隱患，而且通常高壓電源體積較大，不利于系統(tǒng)的微型化和集成化。針對上述問題，有學(xué)者提出低電壓電泳芯片的設(shè)想，但目前它還處于初級研究階段，需要完成以下關(guān)鍵技術(shù)才能使芯片系統(tǒng)得

2、到更好的應(yīng)用。包括解決陣列電極直接與樣品溶液接觸產(chǎn)生氣泡影響樣品遷移問題，芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，芯片制作的最佳工藝，芯片簡易低成本的親水改性方法，小型化控制系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)的研制等。為此，本文針對低電壓電泳芯片系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)開展研究。
　　低電壓電泳芯片和傳統(tǒng)電泳芯片的工作原理相似，都以電泳技術(shù)為基礎(chǔ)，區(qū)別在于具體的控制方式有所不同。依據(jù)傳統(tǒng)電泳芯片驅(qū)動原理，分析了低電壓電泳芯片的驅(qū)動原理，設(shè)計了十字形和螺旋形通道的兩種低電壓電泳芯片

3、，并使用ANSOFT有限元軟件對芯片進(jìn)樣和分離過程的電勢、電場分布進(jìn)行了仿真，驗證了低電壓驅(qū)動方式的可行性。分析了低電壓電泳芯片通道深度、電極寬度、電極間距、絕緣材料及薄膜厚度等參數(shù)對通道內(nèi)電場分布的影響，得出了芯片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)。
　　根據(jù)設(shè)計參數(shù)制作出低電壓電泳芯片，使用磁控濺射法制作了鉑金屬陣列電極基片，利用濕法腐蝕工藝制作了玻璃蓋片。分別選取硅和SU-8兩種材料利用模具復(fù)制法制作了PDMS蓋片，SU-8以其加工周期短、圖形

4、復(fù)制準(zhǔn)確、微結(jié)構(gòu)邊緣陡直等優(yōu)點，成為制作PDMS模具的最佳選擇。
　　為了解決嚴(yán)重制約低電壓電泳芯片實際應(yīng)用的氣泡問題，采用在陣列電極表面制作絕緣薄膜的方案，開展了二氧化硅和PDMS兩種絕緣薄膜的制備研究。使用電子束蒸發(fā)方法制作了二氧化硅絕緣膜，實驗結(jié)果表明，在基片溫度300℃條件下生長的4μm二氧化硅薄膜，可以承受500KV/cm場強(qiáng)，耐壓200V，能夠滿足低電壓電泳芯片應(yīng)用的需要。采用旋涂法制作了PDMS絕緣薄膜，測試結(jié)果表明

5、，厚度為4μm的PDMS可以承受560KV/cm的場強(qiáng)，耐壓220V。從電絕緣特性可以看出，兩種絕緣膜都適用于低電壓電泳芯片的制作，但是PDMS絕緣膜與二氧化硅薄膜相比，具有工藝簡單、成本低廉等特點，因此芯片最終選用PDMS絕緣膜進(jìn)行制作。
　　直接固化的PDMS蓋片和絕緣薄膜因材料的固有特性，表面能比較低，呈疏水性，不利于生物樣品在通道內(nèi)的移動，需要對PDMS表面進(jìn)行親水改性。實驗采用臭氧紫外法對PDMS表面進(jìn)行改性，并與無臭氧

6、紫外方法的處理效果進(jìn)行了對比，使用多種表征方法分析了改性機(jī)理。在相同的處理時間內(nèi)，經(jīng)臭氧紫外處理的PDMS表面水接觸角更小，親水性明顯增強(qiáng)。紅外光譜測試表明，臭氧紫外改性后的PDMS表面各種官能團(tuán)變化較大，其中-CH3疏水基團(tuán)隨著處理時間的增加大幅減少，Si-OH和-OH兩種親水基團(tuán)大量增加，并出現(xiàn)了二氧化硅的典型紅外光譜峰。使用X射線衍射、掃描電鏡與能譜測試的結(jié)果證明，PDMS表面改性后生成了類玻璃態(tài)二氧化硅物質(zhì)，親水基團(tuán)的增多和二氧

7、化硅物質(zhì)的生成是PDMS表面親水性顯著增強(qiáng)的主要原因。實驗結(jié)果表明，臭氧紫外處理方法是一種操作簡單、低成本的PDMS親水改性手段。
　　設(shè)計并制作了低電壓電泳芯片的電極控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32芯片為主控制器，結(jié)合驅(qū)動芯片、陣列光耦、放大濾波電路、D/A及A/D電路，實現(xiàn)對芯片陣列電極電壓幅值、進(jìn)樣時間、電極切換的精確控制。研究并設(shè)計了以FPGA芯片為核心，包括激光器、CCD傳感器、預(yù)處理電路的熒光檢測系統(tǒng)，通過上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序

8、，系統(tǒng)可以實現(xiàn)低電壓電泳芯片樣品檢測和電泳譜圖實時顯示的功能。
　　利用低電壓電泳芯片、電極控制系統(tǒng)和熒光檢測系統(tǒng)，組建了低電壓電泳芯片分析系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)進(jìn)行了兩種絕緣薄膜消除氣泡效果的測試，選用羅丹明6G和羅丹明B溶液為樣品，在十字形和螺旋形通道的低電壓電泳芯片上分別進(jìn)行了電泳分離實驗。測試結(jié)果表明，二氧化硅和PDMS絕緣薄膜在樣品電泳過程中完全抑制了通道內(nèi)氣泡的產(chǎn)生，兩種低電壓電泳芯片都可以在90V電壓作用下實現(xiàn)樣品的電泳分