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基于短毛细管的微型化高速电泳分离系统的研究

方晓霞  
【摘要】:毛细管电泳由于其分离速度快、分离效率高、分离模式多、试样消耗少、操作方便等优点,现已广泛应用于生化研究、环境监测、食品安全和药品质控等领域。为了适应现代科学技术发展和实际检测的需求,毛细管电泳作为一种常用的分离手段,正向着更加高速、高效和小型化的方向发展。典型毛细管电泳分析仪主要包括进样模块、电泳通道模块、电泳高压模块、检测模块以及电子控制电路模块等五个部分。由于电子控制技术的飞速发展,电子控制系统和电泳高压模块已经实现微型化,故近年来的小型化工作主要围绕进样模块、电泳通道模块和检测模块三个方面展开。第一章首先对毛细管电泳的通道模块(主要包括微流控芯片和毛细管)及进样模块的小型化进展进行了介绍,然后对毛细管电泳检测模块(电化学检测和光学检测)的小型化进展进行了介绍。最后对现今已有的商品化和文献中报道的小型化毛细管电泳分析仪进行了介绍,着重介绍各系统的进样模块、电泳通道模块和检测模块及性能。在第二章中,我们研制了手持式准共聚焦激光诱导荧光检测器。通过采用450nm的微型激光二极管作为激光光源,我们针对该波长激光光源考察各种光学元件和光学结构对分析性能和整体体积的影响。在筛选光学元件和优化光学结构后实现了激光诱导荧光检测器的微型化,其检测灵敏度达到了主流半导体泵浦激光器为光源的桌面型检测器的水平,且显著降低了功耗,能采用电池供电。检测器体积仅为9.1 cm×6.2cm×4.1 cm,检测器最终成功用于毛细管电泳、流式细胞的连续流动检测和微流控液滴阵列芯片扫描检测。在第三章中,我们采用小型化一维平移台以及缺口管阵列的形式实现进样模块小型化,结合上述手持式激光诱导荧光检测器,建立了一个集成化的短毛细管高速电泳分析仪。该分析仪集成了皮升级进样模块、自动样品更换模块、短毛细管电泳模块、微型激光诱导荧光检测模块以及控制和显示模块。通过程序控制自动样品更换模块和电泳模块,仪器实现了皮升级自发进样、低电压进样、恒定电压进样三种进样模式,可适应自由区带高速电泳、凝胶毛细管电泳、胶束电动色谱等不同的分离模式。该分析仪成功应用于氨基酸、手性氨基酸、DNA和蛋白质的分离分析中。整个仪器体积仅为23 cm×17 cm×19 cm,具有结构紧凑、使用便捷和造价低廉的特点,能够为多种样品的毛细管电泳分析提供便捷快速的分析平台,有望进一步取代常规凝胶电泳,应用于分子生物学实验室、临床检验、以及工业质量监控等领域。第四章在上述工作的基础上,我们采用微型步进电机滑台将缺口管进样模块微型化,选择体积小巧的光电二极管代替光电倍增管减小检测器体积,通过计算机辅助设计并加工精密机械平台来紧凑化确定并安装各光学元件,并对高压电源、控制电路进行了微型化和低功耗设计。通过上述综合措施,最终使整机尺寸减小到9.0 cm×7.5 cm×7.7 cm,整个仪器的重量仅为305 g,是现今文献报道的体积最小的高速毛细管电泳分析仪。通过程序控制平移台位置和高压的通断,该掌上电泳分析仪能实现pL级的平移自发进样、低电压、恒定电压进样等多种进样模式,并成功应用于氨基酸、DNA、蛋白质等样品的分离分析。该掌上毛细管电泳仪能够为疾病诊断、环境监测以及食品安全等应用领域提供现场、便携化的分析检测平台。


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