芯片毛细管电泳电动进样的数值分析

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@

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

Computer numerical analysis of electrokinetic

injection in chip capillary electrophoresis

ZHEN G Jiu2wen,YAN Wei2ping,L IU Chong,BA I Ji2ling

(1.Depart ment of Elect ronics,Dalian U niversity of Technology,Dalian116024,Chi na;

2.Research Center f or M EMS,Dalian U niversity of Technology,Dalian116024,Chi na;

3.State Key L aboratory of Molecular Reaction Dynamics,Dalian Instit ute of Chemical Physics,

Chi nese Academy of Sciences,Dalian116023,Chi na)

Abstract:Electrokinetic injection is one of the important sample manipulations steps,when capillary electrophoresis chip is used for chemical analysis,a mathematical model describing electric field distri2 bution in the‘+’shape microchannel is presented in this puter simulation is accomplished by means of this model,simulation revealed optimum electric potential at the time of injection and sep2 aration by the analysis of electric potential distribution.The result of the computer simulation can be confirmed by the result of the experiment.

K ey w ords:chip capillary electrophoresis;electrokinetic transportation;numeric calculation

1　引　言

毛细管电泳芯片(CE Chip,Capillary Elec2 trophoresis Chip)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。

CE Chip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)

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。Fan H Z 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,Fan H Z 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Harrison D J 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2.2×10-4cm 2/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Chip CE 的进样方式分为门进样(G ated Injection )和收缩进样(

Pinched sample load 2ing )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 ,electric double 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