1　引言

　　实验室中成功的分析大多包括样品处理、分离、分析等等,通常这些需要很多时间。因此,我们希望能够实现分析过程的自动化,从而提高速度、准确性及重复性。全化学分析系统便达到了这样的要求,它能够周期性地将化学信号转换成电信号,自动实现采样、样品输运、必须的化学反应、检测等过程,可以完成工业化学和生化过程中连续的浓度分析。如果一个全化学分析器所有的样品处理步骤与检测点极其靠近,那就可称为微化学分析器。微化学分析器在缩小尺寸的同时,还能够缩短分析时间,减少样品、缓冲液的消耗量,从理论上来说,微型化也减少了保留体积,有利于提高分离效率。

　　本文探讨了一种新型的微化学分析器:将毛细管区带电泳系统集成在单片的玻璃板上,从而既发挥了毛细管电泳在生命科学、生物技术、医学药物和环境保护等领域中极其广泛的应用价值,又大大缩小了体积,减少了样品消耗量。这种微化学分析器是90年代才开创的新领域,也是本世纪末的一个研究热点。

　　2　实验方法

　　2·1　沟道设计及制备

　　实验中,我们选用3mm厚普通平板玻璃作为基板,设计了一个“十”字型沟道(图1)。O为交叉点,能够有效地控制进样,T为检测点,分离沟道OT长4.5cm,整块基片尺寸是7×8cm2.

　　沟道采用光刻及HF腐蚀的方法制得。首先在清洗后的玻璃板表面涂上光刻胶,经匀胶台甩胶后80~90℃前烘20min,在掩膜板下曝光后,用环己烷显影,乙酸丁脂溶液漂洗,140~150℃后烘半小时即可。刻蚀时使用HF/HNO3溶液,由于玻璃是各向同性腐蚀,刻蚀后的横截面近似于倒梯形结构,表面沟道宽度是腐蚀深度的2倍加上掩膜线宽度。实验中,掩膜线宽30μm,腐蚀深度15μm,沟道表面宽度60μm,其横截面积相当于内径为28μm的毛细管。剩余光刻胶用H2O2及浓H2SO4煮沸去除,去离子水冲洗。

　　2·2　电极制作及键合

　　实验中同时将电导率检测装置集成在玻璃板上,具体地说在另一块玻璃上通过蒸发、印刷电极等方法,获得Ag、Au或Pt电极。在贮液槽的位置钻孔,然后将两块玻璃板加热至软化点温度以上,保温半小时使其键合。为了防止软化时沟道变形甚至塌陷,可采用外加静电场的方法,使玻璃在软化点温度以下100~200℃范围内键合。实验中对于3 mm平板玻璃,普通加热键合温度为620℃,静电场下键合温度是500℃,若对玻璃表面进行抛光处理,可进一步降低键合温度。

　　2·3　实验过程

　　分离实验中采用0.02mol的TRIS缓冲液,首先将沟道内充满缓冲液,然后在CD沟道施加进样电压V1,通过电渗流的作用使样品充满CD管道。分离样品时在AB端口加上分离电压V2,电场将推动交叉点处样品溶液进入分离沟道AB,为了防止交叉点外样品继续流入AB管道,可在CD沟道施加辅助电压V3。因此,交叉点处体积即为进样体积,约为30pL.整个单片集成模型可重复使用,每次使用后,用去离子水清洗管道并且烘干。

　　3　实验结果及讨论

　　实验中使用胭脂红、亦藓红两种色素的混合溶液作为待分析样品,其分离谱图如图2所示。在100V/cm的分离电场下,电渗流速度为0.026cm/s,与理论值相符。缓冲液、样品电导率分别为8μs/cm、16μs/cm,故而形成倒峰。由于进样塞长度小于分离管道的百分之一,因此进样后不会影响缓冲液的电场分布。电渗流速与电场的关系几乎是线性的,说明这一电场范围内焦耳热对电渗流没有明显影响。

　　毛细管区带电泳中,通常以理论塔板数N来衡量分离效率,N可从下式得到:

式中L———分离管道有效长度

　　σ———峰的标准偏差

　　即标准偏差的平方为纵向扩散、进样、温度梯度、表面吸附等各项因素引起的偏差的平方和。理想条件下,将沿毛细管的纵向扩散视为样品区带展宽的唯一因素,此时:

式中D———扩散系数

　　t———分析时间

　　在我们目前的实验模型中,进样塞很短,电场又很低,进样、温度梯度偏差都很小,而溶质、管壁的吸附作用对于多肽、蛋白质类含较多电荷和疏水基团的物质比较严重,实验中也没有出现由此引起的拖尾峰。因此,可以认为扩散仍是最重要的因素,近似公式能够成立。在我们的实验模型中,理论塔板数可至40,000。毛细管中线速度较低时(≤1mm/s),一个样品塞的扩散可以通过误差函数来表示:

　　经数值估算可得出扩散与进样塞长度的关系图(图3)。可见,进样塞较长,样品扩散相对减轻,但是另一方面,进样塞越长,分离效率越低,样品消耗增加,集成化的优越性也就很难体现了。

　　4　结束语

　　单片集成毛细管区带电泳分析器兴起于90年代,为我们提供了新的研究方法,同时也有固有的局限性。它一方面要求极微量的进样量,另一方面这样的极微量又给检测带来了困难。但是,单片集成化可在几十秒或者几分钟内完成对无机物、大分子的分离、检测及具有袖珍性等,而使这一新技术有着广泛地应用前景。

　　参考文献

　　1　K.Seiler,D.C.Harrison,A.Manz.Planar glass chips for capillary elec-trophoresis repetitive samples injection.quantitation, and separation effi-ciency,Anal.Chem.,1993;65:1481~1488.

　　2　S.C.Jacobson, R.Hergenroder,LB.Koutny,et al.Open channel elec-trochomatography on a microchip. Anal. Chem., 1994; 66: 2369 ~2373.

　　3　J.Crank.The mathematics of Diffusion,Oxford Clarendon Press,1975.14~16.

　　本文作者：印　燕　吴冲若

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