低工作电压电泳实现的方法及其芯片技术

一种低工作电压电泳实现方法及其芯片，它是在电泳芯片的微分离管道上布置电极阵列，采用等间距施加电压或变间距施加电压方式，将外加低电压依次施加在每对电极区域内，在分离初期，将低电压施加在较短的分离通道上，使混合物质在较高的场强驱动下向检测器方向运动；随着物质的运动，低工作电压的施加位置也随之迁移，在分离通道上就形成运动的梯度电场，使物质在运动电场的驱动场强作用下完成分离分析。实现该方法的电泳芯片具有阵列电极、分离管道、进样管道、样品池、废液池和缓冲溶液池，电极阵列布置在微分离管道的侧壁或底面。本发明专利技术能使电泳芯片实现低工作电压电泳，实现对不同的生化体系的分离分析检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于分析仪器
，特别是涉及一种低工作电压电泳的实现方法和相应的集成化的电泳芯片系统。
技术介绍
微型机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)的出现和迅速发展，从根本上改变某些科学仪器系统的设计思想和制造方法，为微型化、集成化、智能化、高性价比分析测试技术和仪器研制提供了技术基础和新的机遇。目前国内外研究表明，电泳芯片技术作为一种新兴微全分析系统的核心技术，已逐步走向成熟，并已开始给生命科学研究的许多领域带来冲击甚至革命。常规芯片电泳大都直接将1千伏～几千伏电压施加在分离管道首尾两端，产生200～1000V/cm左右的分离场强(汤扬华，周兆英，叶雄英等。毛细管电泳芯片的制造。微细加工技术。2001(1)62-66)，针对微全分析技术而言，降低芯片电泳较高的工作电压对芯片技术的发展和应用具有重要的意义。利用交流电压在分离通道上产生一定规律变化的电场进行电泳分离已经有研究(4M.S.Talalry，J.P.H.Burt，JA Tame，R.Pethig，Electro-manipulation and separation of cells using electricfields.Appl.Phys.，1996，(29)2198-2203。采用电场控制和分离细胞/<应用物理>)，而利用直流同步循环分离技术所产生的变化电场来完成分离检测过程的思想也有所报道(5Manz A，Verpoorte E，Effrnhausc S，etal.，Plannar chip technology for capillaryelectrophoresis，Anal.Chem.，1994，66(1)567_571。毛细管电泳中的平板芯片技术/<分析化学>)。由交流电压产生的运动电场已经用来进行细胞分离和双电粒子分离，其可以驱动细胞以25-30μm/s速度运动，产生驱动波的电极阵列的密度可达25000个，电极宽和间均是10μm。但采用较低直流电压在电泳芯片上产生一个移动梯度电场，来进行电泳的研究和技术尚未见有成熟的报道。我们提出的系统低工作电压分离的运动梯度场形成和控制方法，通过阵列电极以适当的方式外加直流电压来保证区域的电场强度，这时外加电压可较原来的分离电压低一个到两个数量级。并以此为基础设计制作低电压集成电泳芯片和相应的控制电路。
技术实现思路
本专利技术的目的是给出低工作电压电泳的实现方法，并以此为基础设计制作低电压电泳芯片和相应的控制电路，以期用于实现不同的生化体系的分离分析检测。本专利技术的目的是这样实现的1、低电压电泳的实现方法根据电泳分离原理，电泳芯片的低工作电压分离的实现是在保证分离过程中所需要的分离电场的前提下，降低施加在分离通道上的工作电压，即在分离沟道上实行分区段、交替循环施加电压，从而实现电泳分离的低工作电压。为此，本专利技术方法是在电泳芯片的微分离管道上等间距l分布一系列电极形成分离电极阵列，保证每个分离区至少有一个电极，并设计相应的外围电路控制每个电极与直流电源的通断，从而控制分离电压施加在分离通道上的位置及时间，利用外围控制电路，采用等间距施加电压方式或变间距施加电压方式，将外加低电压依次施加在分离管道的每对电极区域内，在分离初期，利用电极阵列将低电压施加在较短的分离通道上，使混合物质在较高的场强驱动下向检测器方向运动；随着物质的运动，低电压的施加位置也随之迁移，在分离通道上就形成运动的梯度电场，使物质在运动电场的驱动场强作用下完成分离分析。。低电压分离的控制方式有两种等间距施加电压和变间距施加电压。在等间距施加电压方式中，每次外加电压施加的距离为一定值，故被分离样品组分始终在一恒定场强的作用下运动，随着物质的运动，低电压施加位置也随之变化，使混合物在运动电场驱动下实现分离。变间距施加电压方式，即改变随物质的运动改变电压施加的间距，从而使被分离物质在变化的场强作用下运动，此时增大低电压在分离通道上施加的范围，以保证速度最快和最慢的物质仍在低电压所形成的场强范围内运动。如此循环，在分离通道上就形成运动的变化场强，使被分离物质在这种运动变化的场强作用下完成分离分析过程。由于电场分离是将电压交替地施加在分离管道上，则在电压施加过程中所产生的电场区域需有一定的重叠，从而保证物质粒子始终在电场的作用下运动。在实现低工作电压电泳的电压的施加方式中，电极在微芯片管道上的排布也是十分重要的因素，可以采用侧壁布置电极和底面布置电极两种方式来具体实现运动的梯度电场。2、低工作电压电泳芯片低工作电压电泳芯片的结构包括阵列电极、分离管道、进样管道，进样管道两端接有的样品池和废液池、分离管道两端接有的缓冲溶液池和废液池。芯片的结构参数为电极间距L为200-1000μm，电极宽度We为50-100μm，管道宽度Wc为20-100μm，管道深度为10-50μm，采用Si3N4作为绝缘层，绝缘层的厚度控制在1-3μm。该芯片的盖片可以采用键合硅片、键合玻璃、或直接PDMS聚合物盖片。阵列电极布置在分离管道的侧壁或布置在底面。依据设计的结构参数，采用SOI MEMS加工技术进行相应的工艺设计、掩膜版设计以及制备加工。系统控制采用CMOS工艺的扫描电路，实现分离沟道上分区段、交替循环施加电压。附图说明图1电泳芯片的低工作电压电泳实现的方法示意图；图2低工作电压电泳芯片的电极阵列布置方式，其中图2(a)是底部布置电极图2(b)两侧布置电极；图3是低电压电泳芯片的结构示意图；图4是低工作电压电泳芯片驱动电路示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的低工作电压电泳的实现方法以及芯片做进一步的详细地描述。1.低工作电压电泳的实现方式运动梯度电场的形成是依靠一系列的阵列电极来实现的，分离过程中将外加低电压依次地施加在分离管道的每对电极区域内，而且每个分离区应至少还保留一个电极，以保证相邻两次电极对切换时，所产生的电场区域有一定的重叠，从而保证物质粒子始终在电场的作用下运动。参见图1，在分离初期，利用电极阵列将低电压施加在较短的分离通道上，使混合物质在较高的场强驱动下向检测器方向运动；随着物质的运动，低电压的施加位置也随之迁移，在分离通道上就形成运动的梯度电场，使物质在运动电场的驱动场强作用下完成分离分析过程。图1的a、b、c、d显示的就是电压施加位置的一定过程，E＝V/L。由此而提出的在低电压电泳芯片的微管道内的阵列电极可以有两种分布方式，其一是直接均匀排布于在管道底部，见图2(a)，这时管道的宽度对管道内电场的分布不会产生明显影响，而管道深度、电极的宽度和间距是影响管道内电场的分布的重要因素。其二是将阵列电极均匀排布于管道两侧，见图2(b)，这时管道的深度对电场的分布不会产生明显影响，而管道宽度、电极的宽度和间距是影响管道内电场的分布的重要因素。本专利设计的微电极阵列及微管道的结构参数电极间距L为200-1000μm，电极宽度We为50-100μm，管道宽度Wc为20-100μm，管道深度为10-50μm。本专利采用Si3N4作为绝缘层，绝缘层的厚度控制在1-3μm为适宜，可以保证绝缘层的存在对微分离管道内形成电场强度影响很小。本文档来自技高网...

【技术保护点】
电泳芯片的低工作电压电泳实现方法，其特征在于：在电泳芯片的微分离管道上等间距１分布一系列电极形成分离电极阵列，保证每个分离区至少有一个电极，并由相应的外围电路控制每个电极与直流电源的通断，从而控制分离电压施加在分离通道上的位置及时间，利用外围控制电路，采用等间距施加电压方式或变间距施加电压方式，将外加低电压依次施加在分离管道的每对电极区域内，在分离初期，利用电极阵列将低电压施加在较短的分离通道上，使混合物质在较高的场强驱动下向检测器方向运动；随着物质的运动，低工作电压的施加位置也随之迁移，在分离通道上就形成运动的梯度电场，使物质在运动电场的驱动场强作用下完成分离分析。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：温志渝，徐溢，温中泉，李霞，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]