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微通道电泳芯片系统的原理、方法和应用研究

金庆辉  
【摘要】: 微通道电泳芯片(Micro-channel Electrophoresis Chip, MCE Chip)系统是利用微光机电系统(MOEMS)技术在玻璃、石英、有机聚合物等基片上刻蚀出预设计好的微通道网络,并在其中进行样品的电泳分离,利用光学或化学等方法进行检测。它是毛细管电泳技术和微光机电系统、生物化学、分析化学等多学科的交叉,为分离分析领域提供了一种全新的技术平台,已经开始在生命科学、药物化学、医学等领域得到应用。随着MCE Chip研究的深入开展,将会在更多领域得到应用,具有广阔的发展前景。 本论文在阐述了毛细管电泳原理以及微通道电泳芯片系统原理和发展的基础上,开展了微通道电泳芯片系统的方法和应用方面的研究工作,完成了整个系统的构建,并在此系统上实现了DNA片段的分离分析。 围绕微通道电泳芯片系统的原理、方法和应用研究工作,本论文主要包括以下几个内容: 1.阐述了毛细管电泳的原理,以及微通道电泳芯片系统的原理和研究现状,在此基础上,提出了自己的研究思路; 2.根据微通道电泳芯片原理以及相应的应用要求设计芯片,采用微机械加工技术,选择优质石英为芯片材料制作芯片,并对制作工艺参数进行了优化,完成的芯片微通道内壁光滑,边界平整,完全满足实验要求;对微通道内壁进行修饰处理,有效地减少了内壁对样品的吸附,同时大大降低了电渗流的影响; 3.对筛分介质的筛分机理进行了探讨,并阐述了两种筛分介质的制备方法:直接聚合法和反相乳液聚合法,制备的筛分介质满足DNA片段分离的要求;由于微通道十分细小,筛分介质又具有一定的粘度,为了有效地将筛分介质注入微通道,我们设计了两种灌注方法:真空抽吸法和高压氮气流法; 4.阐述了实验使用的分析样品的制备和标记方法; 5.设计了微通道电泳芯片的电泳操作方法,并用有限元分析软件对在进样和分离条件下,进样口处的电场强度分布进行了模拟分析,在此基础上对电泳操作方法进行了优化,实现了进样量和电泳过程的有效控制; 6.对电场作用下微通道中的样品运动特性进行了探讨,分析了影响样品区带 中国科学院博士学位论文 微通道电泳芯片系统的原理、方法和应用研究 金庆辉 展宽的因素;通过控制进样方法和改变样品浓度和缓冲介质浓度,实现了 样品在进样口处的富集;分析了微通道的弯曲效应对分离效率的影响,与 相同有效分离长度的直通道芯片相比,含有两个半圆环型的弯曲芯片由于 弯曲效应的影响,电泳分离效率大大降低; 7.将该微通道电泳芯片系统应用于不同荧光标记寡核苦酸、DNA片段的分 离分析,实现了寡核着酸的单碱基分辨,同时应用于结核杆菌基因组PCR 产物的分析,实验结果表明此系统可以实现DNA片段的快速高效分析。 同时介绍了激光诱导荧光检测系统的设计和构建; 本论文的研究表明,微通道电泳芯片系统具有分析速度快、检测灵敏度高等优 点。但是影响电泳分高效率的因素很多,同时样品在电场作用下的运动特性很复杂, 要实现DNA片段的单碱基分辨,甚至实现DNA序列的快速测定,还需要进一步 优化电泳分离条件。 微通道电泳芯片系统的研究已经取得了很大的进展,随着各项技术的发展,微 通道电泳芯片将成为微全分析系统的主要组成部件,将会给化学、生物和医药分析 等领域带来重大的变化。


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