微流控芯片电泳高压电源的进样区与分离区场强耦合
微流控芯片电泳技术将传统毛细管电泳的分离通道微型化到芯片尺度，实现了分析系统的集成化、便携化和高通量。在典型的十字通道或双T通道芯片中，样品进样与分离两个功能区紧密相邻，共享一部分微通道。这种紧凑结构带来了一个关键的科学问题：进样区的电场与分离区的电场不可避免地发生**空间耦合**，即进样区的电压设定会干扰分离区的电场分布，反之亦然。这种场强耦合直接影响样品塞的初始形状、分离区内的电场均匀性，进而决定分离效率、峰容量和定量重复性。因此，为微流控芯片电泳设计高压电源系统时，必须深入理解并妥善处理进样区与分离区的场强耦合关系，采取有效的解耦策略。
**一、场强耦合产生的物理根源**
在十字芯片电泳中，典型的操作包括三个步骤：进样（样品从样品池进入十字交叉口）、分离（将已形成的样品塞推入分离通道）、分离运行（施加分离电压）。进样时，样品池与样品废液池之间施加电压，样品从样品池流向交叉口并继续流向样品废液池，此时交叉口与缓冲液池、缓冲液废液池之间若存在电位差，则会有泄漏电流进入分离通道，导致部分样品在进样阶段就扩散进入分离通道（即“进样泄漏”）。分离时，缓冲液池与缓冲液废液池之间施加高压，样品塞被驱动沿分离通道迁移，但同时，交叉口与样品池、样品废液池之间若存在残余电位，同样会扰动分离电场，引起分离区内的电场畸变，导致样品区带展宽。
这种耦合的实质是：芯片上的四个储液池（样品池S、样品废液池SW、缓冲液池B、缓冲液废液池BW）构成一个四端电阻网络，各池间的通道电阻形成耦合矩阵。对任意一个池施加电压，所有其他池的电位均会受其影响，进而改变各通道内的电场强度。
**二、传统单电源方案的局限性**
早期的微流控电泳系统常采用单台高压电源加继电器切换的方式，依次为不同池施加电压。这种方法虽简单，但无法实现进样与分离电场的独立控制，耦合效应明显。例如，进样阶段分离通道两端未施加电压，但因与交叉口连通，仍存在寄生电场。单电源切换还会引入电压瞬变，在切换瞬间产生电迁移干扰，影响样品塞的完整性。
**三、多路独立高压电源的解耦方案**
现代微流控电泳分析系统普遍采用**多通道独立高压电源**架构，即每个储液池由一台独立的高压电源模块供电，且各模块共地。通过精确控制各池的电压，可以实现在进样阶段将分离通道两端钳位至等电位，彻底消除泄漏电流；在分离阶段将样品池与样品废液池钳位至等电位，消除对分离电场的扰动。这种方案本质上是利用电源的主动控制能力，对四端网络进行强制电位平衡，实现电气上的**虚拟隔离**。
为实现有效的解耦，对高压电源系统提出以下技术要求：
1. **四通道独立且极性灵活**：电源系统需包含至少四个独立高压输出通道，分别连接四个储液池。每个通道应能输出正电压、负电压或零电压，极性可独立设定，以适应不同电渗流方向或样品电荷。
2. **高精度与快速响应**：在进样阶段，要求分离通道两端（B与BW）的电位差尽可能接近零（例如<0.1V），否则会有纳安级的泄漏电流，长时间积累足以改变样品塞长度。这要求各通道的电压设定精度达0.1%或更高，且具备快速建立能力（<10ms）。
3. **通道间隔离与低串扰**：各高压输出通道之间电气隔离，输出阻抗极低，避免因某一通道负载变化而引起其他通道电压波动。隔离电源模块的分布电容需严格控制，防止高频串扰。
4. **电流监测与反馈**：为验证解耦效果，电源系统应能实时监测各通道的输出电流。若分离阶段样品池与样品废液池理论上应无电流（等电位），而实际监测到有微小电流，则提示存在泄漏或芯片通道堵塞，可用于故障诊断。
**四、进样区与分离区场强耦合的软件补偿策略**
除硬件多通道独立供电外，还可结合软件算法进行补偿。首先，通过实验测量或数值仿真建立芯片电阻网络模型，标定各通道间的耦合系数矩阵。然后，在实际运行时，根据期望的进样区和分离区电场强度，反解出需要施加到各池的电压值，并实时下发至各电源模块。这种**模型前馈控制**可进一步提高解耦精度，尤其适用于通道长度较短、耦合严重的芯片设计。
对于更高级的应用，如**动态进样量调控**或**多步电动进样**，需要快速改变进样区电场，同时保持分离区电场恒定。此时，电源系统需具备**毫秒级电压跳变能力**，且跳变过程不对分离区产生明显扰动。这要求电源的瞬态响应经过精心优化，电压建立时间短且无过冲，同时通过前馈补偿抵消跳变对另一区的耦合影响。
**五、与芯片结构设计的协同**
场强耦合问题并非纯粹电气问题，也可通过优化芯片结构来缓解。例如，在交叉口与分离通道之间引入一段**细颈通道**（缩口），增加该区域的电阻，从而降低耦合系数；或设计**浮动电位屏蔽电极**，在芯片上制造局部等势面，隔离进样区与分离区。高压电源方案需与这些芯片结构创新协同，相互配合，才能将耦合效应降至最低。
**六、实际应用中的挑战与对策**
微流控芯片材料（玻璃、PDMS、PMMA）表面性质差异大，电渗流大小和方向不同，直接影响通道等效电阻与耦合关系。同一芯片在多次使用后，通道内壁吸附样品或缓冲液成分，电阻也会发生变化。因此，固定参数的前馈模型可能随时间失效。应对措施包括：
1. **周期性自校准**：在分析批次间隔，电源系统自动执行校准程序，测量各通道间的实际电阻，更新耦合矩阵，重新计算解耦电压。
2. **实时闭环调节**：利用集成于芯片上的微电极或光学检测点，实时监测分离区电场强度，将信号反馈至电源控制系统，动态微调各池电压以维持设定场强恒定。
综上所述，微流控芯片电泳高压电源的进样区与分离区场强耦合，是微尺度分析中物理场交互的典型范例。处理这一耦合的技术方案，经历了从单电源切换、多路独立供电到模型前馈与实时闭环控制的演进。其核心思想在于将电源系统从“电压提供者”提升为“电场主动管理者”，通过对微通道网络的整体电位进行精准编程，在微小芯片上构建出动态可重构、时空高度一致的理想电泳环境。这不仅是高压电源技术的进步，更代表了微流控分析系统向更高集成度、更高自动化水平发展的内在趋势。
