专利名称：低工作电压电泳实现的方法及其芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于分析仪器技术领域，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。
背景技术：
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[J].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[J]，Anal.Chem.，1994，66(1)567_571。毛细管电泳中的平板芯片技术/<分析化学>[美国])。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。
发明内容
本发明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。
本发明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，本发明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。
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
下面结合附图对本发明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。
低电压电泳的控制是采用等间距施加电压或变间距施加电压来实现的在等间距施加电压实现方式中，在毛细管分离通道上等间距l分布一系列电极形成分离电极阵列，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。设分离电压施加范围始终为电极数目n×l，在分离初期t＝0时，在时间Δt内，利用控制电路和分离电极阵列，在分离电极阵列的第1，(n+1)个电极之间施加电压V，驱动样品组分向正方向运动；当样品组分中运动得最慢的物质通过第2个电极的位置以后，即时间t＝Δt以后，通过控制电路将电压V施加在第2，(n+2)个电极之间，同时取消第1，(n+1)个电极之间的电压；当样品组分中运动得最慢的物质通过第3个电极的位置以后，即时间t＝2Δt以后，通过控制电路将电压V施加在第3，(n+3)个电极之间，同时取消第2，(n+2)个电极之间的电压，依次类推，直到混合物质通过沟道末端的检测器，从而完成整个分离过程。随着运动电场的施加，混合物质由于淌度的不同而逐渐分开一定的距离，为了确保速度最快和最慢的物质仍旧在低电压所形成的场强范围内运动，对电压施加的距离要满足1)在第一次电极对的控制时间内，满足速度最慢的物质到达下一次循环所施加的电压范围；2)而在最后一次电极对控制时间内，速度最慢和最快的物质必须在电压施加的跨度范围内。
变间距施加电压方式中，与等间距施加电压方式不同之处在于当混合物质由于淌度的不同而逐渐分开一定的距离从而超出电压施加的范围，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旧在低电压所形成的场强范围内运动。分离初期，分离电压施加的范围为电极数目n×l，利用控制电路在分离电极阵列第1，(n+1)个电极之间施加电压V，分离场强E1＝V/nl，驱动样品组分向正方向运动。当样品组分中运动得最慢的物质通过第2个电极的位置以后，即时间t＝t1以后，在恒定的时间t1段内，以恒定的电场强度E1将电压V施加在分离电极阵列第2，(n+2)个电极之间，依次类推，直至以t1和E1为控制时间和分离场强的第1阶段的循环次数c1结束，然后增加电压所施加的长度，进入控制时间为t2，分离场强为E2＝V/(n+1)Wsp，循环次数为C2的第2阶段。如此递推，在分离通道上分段、梯度、交替循环地施加分离电压，从而形成运动的梯度电场，完成样品组分的分离。
由于梯度电场分离过程是将电压交替地施加在分离沟道上，因此在电压施加过程中需要电场具有一定的重叠，使样品能受到电场的作用，完成运动分离过程。也即要求必须使速度最慢的分离物质在每一次控制时间段tj内的移动距离大于分离电极阵列间距l，以保证该物质能在tj的电压施加时间内到达下一次电压施加的范围。同时，在tj的控制时间结束时，速度最快的分离物质不能超出此次电压施加的范围。本发明的电压交替控制电路可采用现有成熟的控制电路形式，如采用如图4所示的控制电路来实现。它由多电极扫描驱动电路B；扫描控制单元C和扫描电压控制器D，对电泳芯片A进行控制构成。
2.低电压电泳芯片的结构参见图3，低工作电压电泳芯片的结构包括阵列电极1、分离管道2和进样管道3，进样管道2两端接有的样品池4和废液池5、分离管道2两端接有的缓冲溶液池6和废液池7。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。参见图2(a)和图2(b)阵列电极布置在分离管道的侧壁或布置在底面。以下是芯片的一种制作工艺制备SOI硅片——氧化二氧化硅——光刻隔离区——深槽刻蚀——氧化1000nm和多晶回填——平整化光刻——氧化——光刻电极——硼扩散——氧化——光刻引线孔——溅射硅铝——光刻引线——合金——钝化——TOPESIDE光刻——干法刻蚀SiO2——干法刻蚀硅。
利用常规CMOS工艺来制作低工作电压电泳芯片微分离通道上阵列电极的电压交替控制电路，以控制分离通道上分离电压施加的位置和时间。
参见图3，芯片的结构参数为芯片宽度W＝24mm，样品池与交叉口距离2Ls＝6mm，缓冲液池与交叉口距离Lb＝5mm，储液池孔半径R＝3mm，分离管道宽度Wc＝0.08mm，检测电极与阵列电极的距离x＝1.8mm，阵列电极间距de＝1mm。
本发明的优点是1.建立的低工作电压分离的运动梯度场形成和控制方法，能够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，这时外加电压可较常规电泳系统的分离电压降低一个到两个数量级；2.采用SOI MEMS加工技术设计加工的低电压电泳芯片，具有分离电压低、功耗小、灵敏度高、易于批量生产等优越性；3.由此建立的低电压芯片系统，易于实现真正意义的系统微型化、便携化和自动化，可广泛应用于生化检测、临床检测、法医刑侦检测、环境科学以及现代国防的野战检测等众多领域。
权利要求
1.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/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。
2.根据权利要求1所述的电泳芯片的低工作电压电泳实现方法，其特征在于所述的等间距施加电压方式如下设分离电压施加范围始终为电极数目n×1，在分离初期t＝0时，在时间Δt内，在分离电极阵列的第1，(n+1)个电极之间施加电压V，驱动样品组分向正方向运动；当样品组分中运动得最慢的物质通过第2个电极的位置后，即时间t＝Δt以后，通过控制电路将电压V施加在第2，(n+2)个电极之间，同时取消第1，(n+1)个电极之间的电压；当样品组分中运动得最慢的物质通过第3个电极的位置以后，即时间t＝2Δt以后，通过控制电路将电压V施加在第3，(n+3)个电极之间，同时取消第2，(n+2)个电极之间的电压，依次类推，直到混合物质通过沟道末端的检测器，从而完成整个分离过程；其中电压施加的距离要满足1)在第一次电极对的控制时间内，满足速度最慢的物质到达下一次循环所施加的电压范围；2)而在最后一次电极对控制时间内，速度最慢和最快的物质必须在电压施加的跨度范围内。
3.根据权利要求1所述的电泳芯片的低电压电泳实现方法，其特征在于所述的变间距施加电压方式如下分离初期，分离电压施加的范围为电极数目n×1，利用控制电路在分离电极阵列第1，(n+1)个电极之间施加电压V，分离场强E1＝V/n1，驱动样品组分向正方向运动；当样品组分中运动得最慢的物质通过第2个电极的位置以后，即时间t＝t1以后，在恒定的时间t1段内，以恒定的电场强度E1将电压V施加在分离电极阵列第2，(n+2)个电极之间，依次类推，直至以t1和E1为控制时间和分离场强的第1阶段的循环次数c1结束，然后增加电压所施加的长度，进入控制时间为t2，分离场强为E2＝V/(n+1)Wsp，循环次数为c2的第2阶段，如此递推，在分离通道上分段、梯度、交替循环地施加分离电压，从而形成运动的梯度电场，完成样品组分的分离。
4.根据权利要求1所述的电泳芯片的低工作电压电泳实现方法，其特征在于电极在微芯片管道上的排布采用侧壁布置电极和底面布置电极两种方式。
5.实现权利要求1所述方法的低工作电压电泳芯片，它具有阵列电极、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，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，电极阵列布置在微芯片管道的侧壁或布置在底面。
6.根据权利要求5所述的低工作电压电泳芯片，其特征在于其中微电极阵列和微分离管道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。
全文摘要
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。
文档编号G01N27/447GK1699989SQ20051002064
公开日2005年11月23日 申请日期2005年3月29日 优先权日2005年3月29日
发明者温志渝, 徐溢, 温中泉, 李霞 申请人:重庆大学