芯片毛细管电泳电动进样的数值分析郑九文1,闫卫平1,刘　冲2,白吉玲3(1.大连理工大学电子工程系,辽宁大连116024;

2.大连理工大学微系统研究中心,辽宁大连116024;3.中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室,辽宁大连116023)E2mail:daclock@sohu.com

摘要:利用集成毛细管电泳芯片进行生物化学分析时,电动进样是重要的操作步骤之一。本文通过建立数学模型,对“十”字型进样沟道内的电场分布进行了计算机数值模拟,通过改变进样电压和分析沟道内部电场分布,得到了进样及分离时的最佳电压组合。试验结果与模拟计算的结果吻合较好。关键词:集成毛细管电泳;电动进样;数值模拟中图分类号:TN4　文献标识码:A　文章编号:167124776(2003)07/0820328204

Computernumericalanalysisofelectrokineticinjectioninchipcapillaryelectrophoresis

ZHENGJiu2wen,YANWei2ping,LIUChong,BAIJi2ling(1.DepartmentofElectronics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024

,China;

2.ResearchCenterforMEMS,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;

3.StateKeyLaboratoryofMolecularReactionDynamics,DalianInstituteofChemicalPhysics,

ChineseAcademyofSciences,Dalian116023,China)

Abstract:Electrokineticinjectionisoneoftheimportantsamplemanipulationssteps,whencapillaryelectrophoresischipisusedforchemicalanalysis,amathematicalmodeldescribingelectricfielddistri2butioninthe‘+’shapemicrochannelispresentedinthispaper.Computersimulationisaccomplishedbymeansofthismodel,simulationrevealedoptimumelectricpotentialatthetimeofinjectionandsep2arationbytheanalysisofelectricpotentialdistribution.Theresultofthecomputersimulationcanbeconfirmedbytheresultoftheexperiment.Keywords:chipcapillaryelectrophoresis;electrokinetictransportation;numericcalculation

1　引　言毛细管电泳芯片(CEChip,CapillaryElec2trophoresisChip)作为生物芯片领域的一个重要分

支,是近几年才出现的微量分析装置,是在常规毛细管电泳(CE)原理和技术的基础上,利用微加工技术在硅、玻璃、塑料等基体上刻蚀出扁平的管道和其他功能单元,通过不同的管道网络、功能单元的设计,实现样品的进样、反应、分离和检测,是一种多功能化的快速、高效、低耗的微型实验装置。CEChip大多数采用电动进样方式。早期设计的进样“注射器”[1]都是直接在分离沟道的两端加电压,将样品驱动进入分离区,这种方法很难对进样量进行精确控制。在毛细管电泳芯片中,通过设计沟道的几何形状,将准备注入的样品限制在一定的体积范围内,就会消除电泳迁移率不同产生的样品

收稿日期:2003205215

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60174034)

823微纳电子技术　2003年第7/8期 MicronanoelectronicFechnology/July～

August2003

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net成分的偏差。最简单的是“十”字型沟道,如图1所示,交叉口处的形状会限制注入样品的体积[2]。通过在沟道的4个端口分别加上不同的电压,就可以驱动样品在沟道中运动,改变电压就会改变样品和缓冲液的运动路线,这种方法不需要阀门等装置就可以控制液体的流动。图1　“十”字型沟道示意图(放大后)无阀的流体驱动在沟道的交叉口处会产生液体泄漏,这是由扩散所引起的现象,需要从流体力学的角度来分析。FanHZ等人[3]的研究发现,对于要注入的样品来说,沟道交叉口处的体积会限制样品溶液的形状,研究沟道的形状和体积对注入样品溶液形状的影响是非常复杂的,单从扩散的角度很难解释清楚。参照图1,FanHZ使用的芯片沟道尺寸为:样品池与样品废液池距离为8mm,其中样品池与交叉口的距离为1.6mm;缓冲液池到分离端终点的距离为16mm,其中缓冲液池到交叉口的距离为3mm,沟道宽度为30μm。通过在样品池和样品废液池之间加500V的电压,将一段用荧光素标记的碘酸盐溶液驱动通过交叉口,延时一段时间以后将电压断开,再在缓冲液池和分离终端加1500V的电压将交叉口处的样品驱动进入分离沟道,这时,从检测波形来看,注入时间为1～4s时,荧光素曲线和X轴围成的面积与时间的平方根成正比。如果开始不加500V的注入电压,而仅仅在延时一段时间后加分离电压,则检测到的荧光素波峰面积随着延迟时间的增加而增加,这与HarrisonDJ等人的研究结果[4]是一致的,充分反应了液体扩散的影响。如果注入时间为1s,实验中可观察到,在分离样品时检测到的波峰面积是随着注入电压的增加而线性增加的,这完全出乎意料,因为此前他们认为所要注入的样品体积是被限制在交叉口处的,注入样品多少与所加电压无关。显然,由交叉口注入样品的复杂特性是由所加的进样电压引起的,然而,在电泳迁移率为2.2×10-4cm2/s・V,所加电压为100V时,荧光染料移动275μm的距离,这将补偿在分离时样品沟道内的任何损耗,这表明分离时由于外加电压而使得样品进入分离沟道。既然注入样品的形状和尺寸是影响区带展宽的主要因素,那么控制进样过程就会提高分离效率。总之,荷电物质在微沟道内的运动是相当复杂的,很多现象人们还正在研究之中。目前ChipCE的进样方式分为门进样(GatedInjection)和收缩进样(Pinchedsampleload2

ing)两种,本文仅对收缩进样技术进行研究。收缩进样的过程如图2所示。图2进样前,在U1和U3

之间加一定的电压,为了遏制样品溶液向两边扩散,

在U2和U4上也加一定的电压,使样品溶液主要从U1流向U3。分离时,在U4和U2之间加一定的电压,使样品进入分离沟道进行分离。上述过程,都是依靠精确地改变端口电压来完成的。

图2　收缩进样示意图(阴影代表样品)2　数学模型当固体与液体相接触的时候,如果固体表面带一种电荷,则因静电引力使其周围液体带另一种电荷,在固液界面形成双电层(EDL,electricdouble

layer),二者之间有电势差。当在液体两端施加电压时,就会发生液体相对于固体表面的移动。这种液体相对于固体表面移动的现象就是电渗现象。在EDL内部电场分布由Possion方程控制,但是这个方程不能直接进行计算,Grossman[5]等人在一维模型下推导出了方程的简化形式,本文据此写出二维模型的无量纲方程󰂈2Ψ=(kh)2Ψ

(1)

其中Ψ是壁上电荷产生的电势,k-1是Debye层厚度,h是沟道宽度。为了计算方便,式中的变量都是无量纲化的变量,长度用h无量纲化,壁面产生电势Ψ用壁面zeta电势ξ无量纲化。外加电场φ产生的电势满足Laplace方程,

󰂈2

<=0(2)

为了降低计算量,在计算机模拟中将“十”字型几何沟道的长度H和宽度W进行了适当的缩小,

最终使用的比例是H/h=7,W/h=5,并且假定沟道宽度h=30μm。Debye层的厚度k-1通常是10-9m的数量级,但是在模拟计算中太小的k

21

会

923MicronanoelectronicFechnology/July～August2003 微纳电子技术　2003年第7/8

期

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net增加运算量,所以计算中有效Debye层厚度为沟道宽度的5%。3　结果与讨论3.1　沟道壁上电荷产生的电场分析通过计算机数值计算,可了解微沟道内部的电场分布和沟道内部的流场分布。通过在计算区域内对式(1)的计算,可以得到沟道内由壁面电荷产生的电场在沟道内的等电势图,如图3所示。图3　壁面电荷产生的电场分布图由图3可知,壁面电荷产生的电场Ψ仅存在于靠近管壁的EDL内部,远离壁面时Ψ迅速降为零。图4很清楚地表明这一结果,它的X轴是在缓冲液沟道内沿图1所示的Y方向上的用沟道宽度h标准化的沟道尺度(图中X轴的坐标很小,显示出电势仅在非常靠近沟道壁上才有值),Y轴是沿Y方向上电势的变化曲线(图中仅给出了图形的一部分),管壁上的zeta电势标准化为1,在靠近管壁处的电势迅速降低,说明在EDL外部壁面电势产生的电场不起主导作用,所以在进样过程中,沟道尺寸、缓冲液、样品及溶液pH值固定下来的时候,外加电场是驱动沟道内部电渗流运动的主导因素,可以通过在毛细管口施加不同的电压实现驱动流体向不同的沟道流动。图4　电势φ变化曲线(放大后)3.2　外加电场实验3.2.1　实验用电泳芯片和试剂实验用缓冲液为100mmol/L的Tris溶液(三羟甲基氨基甲烷),10mmol/L硼酸,EDTA(长春化学试剂厂产品)2mmol/L,染料为2mmol/L的R6G,由于本文的实验仅研究进样,不分离具体的物质,所以直接把染料当作样品。实验用玻璃芯片结构如图5所示。

图5　实验用芯片示意图3.2.2　实验过程实验时,①、②、④储液池存放的是缓冲液,储液池③放的是染料,加电压前要使整个沟道内部都充满缓冲液,用显微镜观察,确认缓冲液已经充满了沟道,不能在沟道中出现气泡,因为加电压时,有气泡相当于“断路”,会导致电压加不上去。进样时在②、③两个储液池加上电压,持续一段时间以后,样品会充满③-②的一段沟道,需要分离的时候,在①、④端口加上电压,撤掉加在②、③上的电压,这时交叉口处的少量样品会被驱动进入分离沟道。然而,进样的时候会产生这样的问题,即充满进样沟道(③-②)的样品在交叉口处会向两旁渗漏,使注入的样品加宽,影响进入分离沟道后样品的分离效率,为此,进样的时候在①、④两端也加上一定的电压,抑制交叉口处的样品渗漏。实验中,首先在端口③加上500V的电压,②接地,①和④浮空,进样时间定为15s(足够样品充满进样沟道),然后将①端加1000V电压,④接地,②、③浮空,使样品进入分离沟道,检测结果如图6(a