本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种基于动态涂层的电渗微泵系统及其应用。
背景技术：
微流控技术(microfluidics)，又称为芯片实验室(lab-on-a-chip)，是一种利用数十到数百微米尺度下的微通道及微结构来处理和操控微量流体的方法。借助微尺度环境中独特的流体性质，在芯片中实现的分析检测不仅具备快速、便携、样品和溶剂消耗量小等优点，还易于多步骤多功能的集成，在化学、生物、医学等领域中显现出巨大的应用潜力。
压力驱动流体是微流控技术中最常用的流体操控方式之一。通过精确可控的泵系统，压力驱动流可以实现微通道中的样品的运输、富集和分离。以注射泵和蠕动泵为代表的芯片外置泵可以通过接口或转换阀与芯片上的微流控通道连接从而产生压力驱动流。然而，一方面，这类泵与芯片的接口处存在巨大的死体积，无法对微通道中的流体进行动态控制；另一方面，外加的接口结构也很容易出现漏液问题。
在芯片上构建内置泵不仅可以避免接口问题，也可以提高流体在微通道中的泵送效率。芯片内置泵常利用电动、机械、热气动和电化学等原理设计制作。其中，电动控制型微泵又因易加工、泵送流体速度稳定且精确可控而受到广泛关注。在设计电动控制微泵时，通常采用在微通道中引入电渗流速差的方法。由于微通道中的流体体积守恒，所以这种电渗流速差将自动产生压力驱动流来维持流量平衡。这种电渗流速差可以通过微通道表面特性差异或微通道中电通量的差异来实现。但是，在微小的通道中进行壁修饰或构建微结构改变电通量都增加了微泵的加工难度或局限了适用的芯片材质，且在微泵的使用中易受电场或样品的干扰，限制了电渗微泵的应用。因此，有需要开发出制作简单、易精确操控、不易受环境影响的电渗微泵系统。
技术实现要素：
本发明针对现有电渗微泵加工难度大、芯片材料受限、易受环境干扰等不足，提供一种基于动态涂层的电渗微泵系统，该电渗微泵系统制作简单、不受芯片材质的影响、易精确操控、不易受环境影响。
本发明采取的技术方案如下：
一种基于动态涂层的电渗微泵系统，包括微流控芯片和凝胶，所述微流控芯片设有一条泵体通道，所述泵体通道的一端由所述凝胶填充，所述泵体通道内充满缓冲液，所述缓冲液中含有表面活性剂。
本发明所述电渗微泵系统中，在泵体通道的一端填充凝胶，并且在泵体通道内灌注含有表面活性剂的缓冲液从而在通道的壁上形成动态涂层，所述缓冲液在电场作用下可形成定向的电渗流，而所述电渗流在泵体通道和凝胶中存在速度差，从而在泵体通道内部与凝胶交界面上自动产生压力逆流，以实现微泵的功能。
本发明提供的基于动态涂层的电渗微泵系统，可在10-3000v的驱动电压下实现0.1-12mm/s的流速精确控制，还可通过设置外接通道与其他微流控功能单元集成，而且制作和操控简单，不受微流控芯片材质的影响，拓展了电渗泵在聚合物芯片中的应用。
本发明所述的基于动态涂层的电渗微泵系统可在芯片色谱和提高芯片电泳分离中得到良好应用。
具体地，所述凝胶为聚丙烯酰胺凝胶或琼脂糖凝胶。
具体地，所述缓冲液是由硼砂溶液、磷酸溶液、tris-hcl缓冲液中的任意一种与表面活性剂配制而成；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂、中性聚合物或阴离子表面活性剂。
进一步地，所述阳离子表面活性剂为十六浣基三甲基溴化铵、十六浣基三甲基氯化铵、双十二烷基二甲基溴化铵中的任意一种或几种；所述中性聚合物为聚二甲基丙烯酰胺、聚羟乙基丙烯酰胺、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇中的任意一种或几种；阴离子表面活性剂为十二烷基磺酸钠或阴离子聚合物葡聚糖硫酸酯。
具体地，所述微流控芯片的材料为环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、玻璃中的任意一种。
具体地，所述微控流芯片的长度为20-100毫米，宽度为10-100毫米，厚度为0.1-0.6毫米。
具体地，所述泵体通道的长度为2-80毫米，宽度为50-500微米，深度为20-100微米。
进一步地，所述微流控芯片还设有一条与所述泵体通道连通的外接通道。
进一步地，所述外接通道的一端连接于所述泵体通道的两端之间，另一端分成三条分支通道。
通过设置外接通道和设计通道网络，可在一块微流控芯片上将电渗微泵与其他微流控功能单元集成，获得集成芯片。
本发明还提供前述电渗微泵系统在色谱分离和/或电泳分离中的应用。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明的基于动态涂层的电渗微泵系统的结构示意图；
图2为本发明的基于动态涂层的电渗微泵系统的工作原理示意图；
图3为实施例1中对电渗微泵系统进行可行性评估实验的效果示意图；
图4为实施例1中对无凝胶填充的微流控芯片进行对比实验的效果示意图；
图5为实施例2的基于动态涂层的电渗微泵系统的结构示意图；
图6为实施例2中液相色谱分离实验的结果图，示出了实施例2的电渗微泵系统对荧光染料样品迁移速度的控制，其中，图6(a)为芯片色谱图，图6(b)为迁移速度-操作电压关系图；
图7为实施例3的基于动态涂层的电渗微泵系统的结构示意图；
图8为实施例3中电泳分离实验的结果图，示出了实施例3的电渗微泵系统对荧光染料混合物样品电泳分离度的影响，其中，图8(a)为不同操作电压下的电泳谱图，图8(b)为电泳分离度与不同操作电压的关系图。
附图标记说明：
1、微流控芯片；11、泵体通道；111、动态涂层；112、电渗流；113、压力流；12、凝胶池；13、储液池；14、外接通道；15、凝胶；21、样品通道；22、样品池；23、废液通道；24、废液池；25、分离通道；26、出样池；27、缓冲液通道；28、缓冲液池；a、显微镜检测区；b、激光诱导荧光检测区。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的基于动态涂层的电渗微泵系统，包括微流控芯片1和凝胶15，所述微流控芯片1设有一条泵体通道11，所述泵体通道11的一端由所述凝胶15填充，所述泵体通道11充满缓冲液，所述缓冲液中含有表面活性剂。
具体地，所述泵体通道11的一端设有凝胶池12，另一端设有储液池13，所述凝胶15填充于所述凝胶池12中。
所述微流控芯片1还设有一条与所述泵体通道11连通的外接通道14，所述外接通道14与所述泵体通道11垂直，其一端连接于泵体通道11的两端之间。所述泵体通道11和外接通道14均为直的微沟道，且相互垂直。
具体地，所述微流控芯片1为环烯烃共聚物(coc)微流控芯片，也可以是聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微流控芯片、聚碳酸酯(pc)微流控芯片、聚二甲基硅氧烷(pdms)微流控芯片、玻璃微流控芯片中的任意一种。
所述微控流芯片的长度为20-100mm，宽度为10-100mm，厚度为0.1-0.6mm。所述泵体通道11的长度为2-80mm，宽度为50-500μm，深度为20-100μm。
所述凝胶15可以是聚丙烯酰胺凝胶或琼脂糖凝胶。
所述缓冲液是由硼砂溶液、磷酸溶液、tris-盐酸缓冲液中的任意一种与表面活性剂配制而成。所述表面活性剂可以是阳离子表面活性剂、中性聚合物或阴离子表面活性剂。具体来说，所述阳离子表面活性剂可选自十六浣基三甲基溴化铵(ctab)、十六浣基三甲基氯化铵(ctac)、双十二烷基二甲基溴化铵(ddab)中的任意一种或几种；所述中性聚合物可选自聚二甲基丙烯酰胺(pdma)、聚羟乙基丙烯酰胺、羟乙基纤维素(hec)、羟丙基甲基纤维素(hpmc)、聚乙二醇(peg)中的任意一种或几种；阴离子表面活性剂可以是十二烷基磺酸钠(sds)或阴离子聚合物葡聚糖硫酸酯。
请参阅图2，所述电渗微泵系统的工作原理为：所述缓冲液在泵体通道11内壁上形成动态涂层111，当在泵体通道11的两端施加电压时，该缓冲液在电场作用下可形成定向的电渗流112，而所述电渗流112在泵体通道11和凝胶15中存在着速度差，从而使得泵体通道11内部与凝胶15的交界面上自动产生压力流113。驱动电压的调控范围为10-3000v，产生的压力流的速度为0.1-12mm/s。
本发明所述的基于动态涂层的电渗微泵系统，可通过控制驱动电压实现压力流速度的精确控制，可通过外接通道14与其他微流控功能单元集成，并且制作、操控简单，不受微流控芯片1材质的影响，拓展了电渗泵在聚合物芯片中的应用。
可选地，所述外接通道14中不与泵体通道11连接的一端可分成三条分支通道，以实现其他微流控功能。具体地，所述三条分支通道均为直的微沟道，其中一条分支通道的中心线与外接通道14的中心线重合，其余两条分支通道的中心线重合，并均垂直于外接管道。
实施例1
本实施例的基于动态涂层的电渗微泵系统中，所述微流控芯片1采用环烯烃共聚物(coc)微流控芯片，其长度为20mm，宽度为15mm，厚度为0.2mm。
所述泵体通道11的长度为8mm，宽度为100μm，深度为60μm。
所述缓冲液为含0.01％十六烷基三甲基溴化铵(w/w)的浓度为0.1mmol/l的硼砂溶液。
微泵的制作：移取125μl浓度为40％(w/v)凝胶预聚物丙烯酰胺/甲叉双丙烯酰胺溶液(37.5:1)于离心管中，用缓冲液稀释至1ml，此时凝胶预聚物浓度为5％(w/v)，然后向离心管中加入7.5μl的5％(w/v)的过硫酸铵溶液，最后加入1.5μl的四甲基乙二胺，将混合溶液放至振荡器上涡旋，混合均匀，再将混合溶液移至泵体通道11一端的凝胶池12中，静置反应5-10min，得到填充于泵体通道11一端的聚丙烯酰胺凝胶。
使用缓冲液配制浓度为1μmol/l罗丹明b样品溶液，用来评估所述电渗微泵系统产生压力流的可行性，并进行对比实验进一步验证凝胶15对于所述电渗微泵系统工作的作用。
可行性评估实验：实验前，先使用缓冲液充满泵体通道11、凝胶池12、储液池13和外接通道14；然后用罗丹明b样品溶液替换储液池13中的缓冲液，在凝胶池12和储液池13中分别放入电极并连接电源。请参阅图3，实验时，向凝胶池12施加500v电压，储液池13接地，对显微镜检测区a拍照记录罗丹明b样品的迁移现象(图3中虚线框选部分为检测区a，而空心箭头所指截图为检测区a的照片，示出了罗丹明b样品的流向)。如图3所示，在电场作用下，储液池13中罗丹明b样品随缓冲液流向凝胶池12，同时一部分罗丹明b样品从外接通道14流出。由于外接通道14上并无电场，即无电渗流存在，说明驱动罗丹明b样品迁移的必为压力流。
对比实验：取无凝胶填充的本实施例的微流控芯片1，同样实施上述可行性评估实验的条件及步骤，结果如图4所示(图4中虚线框选部分为检测区a，而空心箭头所指截图为检测区a的照片，示出了罗丹明b样品的流向)，由该图可见，在电场作用下，储液池13中罗丹明b样品只随缓冲液流向凝胶池12，并未进入外接通道14。说明无凝胶结构的微流控芯片1并不能产生压力流，进一步验证了凝胶15对于所述电渗微泵系统工作的关键作用。
实施例2
如图5所示，本实施例的基于动态涂层的电渗微泵系统包含了实施例1所述电渗微泵系统的配置，还设有如下配置：所述外接通道14中不与泵体通道11连接的一端分成三条分支通道，所述三条分支通道均为直的微沟道，其中一条分支通道为废液通道23，其中心线与外接通道14的中心线重合，其余两条分支通道分别为分离通道25和样品通道21，所述分离通道25与样品通道21的中心线重合，并均垂直于外接管道；所述废液通道23的末端设有废液池24，所述分离通道25的末端设有出样池26，所述样品通道21的末端设有样品池22；所有通道相互连通，构成通道网络。由此，本实施例将芯片色谱功能集成于所述微流控芯片1上，实现以电渗微泵产生的压力流作为芯片色谱流动相的驱动力。
使用缓冲液配制浓度为1μmol/l罗丹明b样品溶液，利用本实施例的电渗微泵系统进行液相色谱分离实验，操作步骤如下：
实验前，先使用缓冲液充满整个通道网络，然后用罗丹明b样品溶液替换样品池22中的缓冲液，在凝胶池12、储液池13、样品池22、废液池24和出样池26中分别放入电极并连接电源；
实验采用门进样模式向分离通道25引入罗丹明b样品溶液：
(1)在样品池22施加300v操作电压，在凝胶池12、废液池24和出样池26分别施加600v操作电压，储液池13接地；
(2)将样品池22的操作电压降至0v，储液池13的操作电压升至600v，其余的电压都不变，罗丹明b样品进入分离通道25；
(3)1s后将样品池22的操作电压升至分离电压0.5ψ，凝胶池12、废液池24和出样池26的操作电压升至ψ，储液池13的操作电压降至0v，进行液相色谱分离；
利用激光诱导荧光检测技术在激光诱导荧光检测区b(图5中虚线圆圈部分为检测区b)记录荧光信号，得到芯片色谱图。图6(a)为微泵操作电压为2700v得到的罗丹明b色谱图。根据检测距离和样品色谱图出峰时间可以计算出罗丹明b在分离通道25中的迁移速度。图6(b)为不同微泵操控电压ψ对罗丹明b样品迁移速度的影响。随着微泵操控电压ψ的增加，罗丹明b样品在分离通道25中的迁移速度呈线性增加。所得线性方程为y＝2×10-5x(r2＝0.9904)。证明通过控制微泵的操作电压ψ，可以精确控制分离通道25中罗样品的迁移速度。
实施例3
如图7所示，本实施例的基于动态涂层的电渗微泵系统包含了实施例1所述电渗微泵系统的配置，还设有如下配置：所述外接通道14中不与泵体通道11连接的一端分成三条分支通道，所述三条分支通道均为直的微沟道，其中一条分支通道为样品通道21，其中心线与外接通道14的中心线重合，其余两条分支通道分别为缓冲液通道27和废液通道23，所述缓冲液通道27与废液通道23的中心线重合，并均垂直于外接管道，所述外接通道14也作为分离通道25；所述废液通道23的末端设有废液池24，所述样品通道21的末端设有样品池22，所述缓冲液通道27的末端设有缓冲液池28；所有通道相互连通，构成通道网络。由此，本实施例将芯片电泳功能集成于所述微流控芯片1上，实现利用电渗微泵产生的压力流来延长样品在分离电场中的滞留时间，从而提高分离度。
使用缓冲液配制总浓度为1μmol/l的罗丹明b与罗丹明6g的混合溶液作为样品溶液，利用本实施例的电渗微泵系统进行电泳分离实验，操作步骤如下：
实验前，先使用缓冲液充满整个通道网络，然后用样品溶液替换样品池22中的缓冲液，在凝胶池12、储液池13、样品池22、废液池24和缓冲液池28中分别放入电极并连接电源；
实验采用门进样模式向分离通道25引入样品：
(1)在凝胶池12、储液池13和废液池24施加500v操作电压，样品池22和缓冲液池28接地；
(2)调整缓冲液池28的操作电压至500v，其余电压保持不变，罗丹明b与罗丹明6g混合样品进入分离通道25；
(3)1s后将缓冲液池28的操作电压降至0v，并调整凝胶池12和废液池24的操作电压至1500v，调整储液池13的操作电压至ψ，样品池22的操作电压保持不变为0v，进行电泳分离；
利用激光诱导荧光检测技术在激光诱导荧光检测区b(图7中虚线圆圈部分为检测区b)记录荧光信号，得到电泳谱图。图8(a)为不同微泵操作电压ψ对混合荧光染料样品在激光诱导荧光检测区b处得到的电泳谱图。其中操作电压ψ为1500v时微泵不工作，操作电压ψ从1500v逐渐减小至1200v时，泵送效果逐渐增强。如图8(a)所示，当将微泵操作电压ψ从1500v逐渐减小至1200v，混合荧光染料样品的出峰时间更长，在分离场中的滞留时间更长，分离效果更好。通过对混合荧光染料样品分离电泳谱图进行分析，计算得到丹明b与罗丹明6g在该芯片电泳系统的分离度r，具体结果如图8(b)所示。证明通过控制微泵的操作电压ψ，可以调控分离通道25中样品的迁移速度，提高芯片电泳的分离度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
1.一种基于动态涂层的电渗微泵系统，其特征在于：包括微流控芯片和凝胶，所述微流控芯片设有一条泵体通道，所述泵体通道的一端由所述凝胶填充，所述泵体通道内充满缓冲液，所述缓冲液中含有表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述凝胶为聚丙烯酰胺凝胶或琼脂糖凝胶。
3.根据权利要求1所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述缓冲液是由硼砂溶液、磷酸溶液、tris-hcl缓冲液中的任意一种与表面活性剂配制而成；所述表面活性剂为阳离子表面活性剂、中性聚合物或阴离子表面活性剂。
4.根据权利要求3所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述阳离子表面活性剂为十六浣基三甲基溴化铵、十六浣基三甲基氯化铵、双十二烷基二甲基溴化铵中的任意一种或几种；所述中性聚合物为聚二甲基丙烯酰胺、聚羟乙基丙烯酰胺、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙二醇中的任意一种或几种；阴离子表面活性剂为十二烷基磺酸钠或阴离子聚合物葡聚糖硫酸酯。
5.根据权利要求1所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述微流控芯片的材料为环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、玻璃中的任意一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述微控流芯片的长度为20-100毫米，宽度为10-100毫米，厚度为0.1-0.6毫米。
7.根据权利要求1-5任一项所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述泵体通道的长度为2-80毫米，宽度为50-500微米，深度为20-100微米。
8.根据权利要求1所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述微流控芯片还设有一条与所述泵体通道连通的外接通道。
9.根据权利要求8所述的电渗微泵系统，其特征在于：所述外接通道的一端连接于所述泵体通道的两端之间，另一端分成三条分支通道。
10.权利要求1-9任一项所述的电渗微泵系统在色谱分离和/或电泳分离中的应用。
技术总结