微纳流控效应在生物大分子浓集中的应用

论文摘要

核酸和蛋白质作为生命科学中最重要的两类生物大分子,一直是人们研究的重点和热点。浓缩在大幅度提高现有分析方法的检测能力中起着关键的作用。纳流控学的提出为浓缩方法的发展提供了新的途径。微纳界面上的浓度极化效应备受关注,在微量样品的在线预浓集中表现出独特的性能,成为生物大分子浓缩的一个重要手段。本论文第一章对纳通道的离子传输现象、浓度极化理论、应用研究,特别是对生物大分子浓缩研究进展进行了综述。第二章,考察了溴化乙锭（EB）和SYBR Green I染料和支持电解质的离子强度对带负电荷的DNA在石英毛细管微纳界面处浓度极化的影响。在较低离子强度（0.1×TBE）下,DNA可在阴极端长时间稳定浓缩,而在较高离子强度（1×TBE）下,两种染料标记的DNA、FITC-BSA以及小分子荧光探针均发生间断性跨越微纳界面向阳极迁移的现象。用DNA的定位浓集和显微荧光成像的方法对所用微纳界面上的孔的个数进行了表征。实验发现,所使用刻蚀膜通常为一个孔,只有少数情况两孔同时存在。采用CCD成像方法对DNA浓集倍数进行了估算。电场方向由膜外向膜内时浓集约40s,对0.0032ng/μL（2.0×10-13mol/L） DNA的浓缩可达105倍。在基于Nafion的微纳界面上也实现了对DNA的浓缩,得到了良好的浓缩效果。第三章,利用电渗流（electroosmotic flow, EOF）将DNA浓缩带转移至激光诱导荧光检测窗口进行检测的方法,考察了低离子强度下DNA的浓集效率,对0.032ng/μL （2.0×10-12mol/L）的DNA取得了104倍的浓缩效果。在基于Nafion的微纳界面对DNA的浓缩进行了检测,重现性良好。此外,还简单探讨了芯片使用过程中微纳界面的电阻与浓缩效率的关系。本研究表明,无论是用成像法还是LIF法,基于石英毛细管的微纳流控界面对核酸和蛋白均表现出很高的浓缩效率,因此在少量样品中低丰度生物大分子的分析中将有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微流控与纳流控
• 1.3 浓度极化
• 1.3.1 纳通道的离子传输
• 1.3.2 浓度极化理论及其应用
• 1.4 生物大分子与微纳流控效应
• 1.4.1 生物大分子的浓缩
• 1.4.2 纳流控生物大分子的检测
• 1.5 纳流控装置的制作技术
• 1.6 本课题的研究意义和思路
• 第2章 荧光成像法生物分子微纳流控浓集研究
• 2.1 引言
• 2.2 仪器与试剂
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 溶液的配制
• 2.3 实验操作
• 2.3.1 毛细管芯片的制作及微纳界面的建立
• 2.3.2 CCD检测系统示意图
• 2.3.3 不同条件下DNA分子在微纳界面上的浓缩现象研究
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 荧光染料与DNA分子浓度极化
• 2.4.2 离子强度对DNA分子浓度极化的影响
• 2.4.3 样品溶液注入方式的改变观察DNA分子浓缩行为
• 2.4.4 刻蚀膜上纳米孔个数
• 2.4.5 小分子荧光探针在微纳界面上的浓度极化现象研究
• 2.4.6 荧光染料为EB时浓集倍数的估算
• 2.4.7 荧光染料为SYBR Green Ⅰ时浓集倍数的估算
• 2.4.8 FITC-BSA在微纳界面上的浓缩行为
• 2.4.9 基于Nafion的微纳界面对DNA的浓缩
• 2.5 本章小结
• 第3章 LIF检测法对毛细管微纳界面上DNA浓缩效率研究
• 3.1 引言
• 3.2 仪器与试剂
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 溶液的配制
• 3.3 实验操作
• 3.3.1 激光诱导荧光（LIF）检测系统
• 3.3.2 带负电荷DNA分子的浓缩
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 浓集倍数的估算
• 3.4.2 对低浓度DNA的浓集
• 3.4.3 基于Nafion的微纳界面对DNA的浓缩
• 3.5 本章小结
• 第4章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢