低电压驱动模式的电泳芯片性能分析和芯片电泳过程研究

论文摘要

微型全分析系统（μ-TAS）是基于微机电加工技术（MEMS）,并结合分析化学和生物化学技术,将分析过程集成在微芯片上,以实现分析系统从样品处理到检测的整体微型化、集成化和便携化。而芯片电泳是基于在芯片上的微管道中完成电泳分离过程的微型分离分析技术。低电压电泳芯片通过在芯片管道侧壁布置阵列电极以降低电泳分离所需要的电压,这种芯片电泳方式能在低压下提供分离所需要的场强,避免了使用高压电源不安全和体积庞大的缺点,更有利于芯片电泳系统向朝集成化和便携化方向发展。本文主要进行了低电压驱动模式下的芯片设计和芯片电泳研究,建立起低电压芯片电泳系统,考察了此系统的电学性能和分离分析效能,并用于生化样品的分析,取得了一定的结果。本文设计制作了硅-PDMS复合电泳芯片,考察复合芯片的电绝缘性能、伏安曲线、电渗流等电学特性。以此为基础,针对氨基酸样品优化相应的电泳操作参数,实验表明:在5mmol·L-1,pH=9.0硼砂缓冲介质中,200V·cm-1进样场强下简单进样8s,分离场强为100 V·cm-1,样品分离度可达3.14。以此验证所制作复合芯片的可行性和实用性。将控制系统、硅-PDMS电泳芯片和检测系统组成了一个完整的能够进行分离分析的低电压芯片电泳系统。在系统上进行氨基酸样品的分离分析,考察了进样时间、电压施加模式、电压大小和电压切换时间对分离的影响。通过参数优化,最终选择了双边电压施加模式,进样时间10秒,分离电压60V的最优条件,样品能得到完全的分离。通过总结和计算,得到了一些电压切换时间设置的方法。根据蛋白质的毛细管电泳分离所得到的结果,溶菌酶和牛血清白蛋白之间的淌度相差较大,理论上分离是比较容易的。但是在低电压芯片电泳上的分离效果并不理想,分离条件如缓冲溶液的种类和浓度、蛋白质吸附、低电压相关参数的设置都会影响分离效果。下一步的工作中,要优化相关的参数以得到更好的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 芯片电泳
• 1.2 不同驱动模式下的芯片电泳国内外研究现状
• 1.2.1 压力驱动和控制方式
• 1.2.2 电驱动和控制
• 1.2.3 其他驱动方式
• 1.3 低电压芯片电泳
• 1.3.1 低电压芯片电泳的原理
• 1.3.2 低电压芯片电泳的研究进展
• 1.4 本论文的意义及主要研究内容
• 2 芯片电泳理论
• 2.1 芯片电泳基本概念
• 2.1.1 电泳及电泳淌度
• 2.1.2 电渗流及电渗淌度
• 2.2 芯片电泳控制因素
• 2.2.1 操作电压
• 2.2.2 缓冲溶液的种类
• 2.2.3 缓冲溶液的pH 值
• 2.2.4 缓冲溶液的浓度
• 2.2.5 缓冲溶液中的添加剂
• 2.3 芯片电泳的分离度
• 2.4 芯片电泳的激光诱导荧光检测原理
• 2.5 低电压芯片电泳的原理
• 3 硅-PDMS 低电压电泳芯片和低电压芯片电泳系统
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 仪器和设备
• 3.1.2 药品及试剂
• 3.1.3 溶液的配制
• 3.1.4 实验内容
• 3.2 硅-PDMS 低电压电泳芯片的设计制作
• 3.3 硅-PDMS 电泳芯片的性能评价
• 3.3.1 硅-PDMS 电泳芯片的绝缘性能
• 3.3.2 硅-PDMS 电泳芯片伏安曲线与电渗流的测定
• 3.3.3 硅-PDMS 常规芯片电泳分离氨基酸样品
• 3.4 低电压电泳芯片的控制系统
• 3.4.1 硬件电路和计算机控制软件
• 3.4.2 低电压电泳芯片的电压施加模式和方法
• 3.5 低电压芯片电泳系统的建立
• 3.6 本章小结
• 4 低电压芯片电泳系统分离分析效能的评价
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器和设备
• 4.2.2 试剂和药品
• 4.2.3 溶液的配置
• 4.2.4 低电压芯片电泳分离氨基酸样品
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 芯片电泳常规分离条件的优化
• 4.3.2 低电压模式下芯片电泳相关分离条件的优化
• 4.4 本章小结
• 5 低电压芯片电泳系统对蛋白质样品的分离
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器和设备
• 5.2.2 试剂和药品
• 5.2.3 溶液的配置
• 5.2.4 常规毛细管电泳下蛋白质的分离
• 5.2.5 硅-PDMS 低电压电泳芯片上蛋白质的分离
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 牛血清白蛋白和溶菌酶的毛细管电泳实验
• 5.3.2 参数的计算
• 5.3.3 硅-PDMS 低电压电泳芯片上分离蛋白质
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 硕士期间发表与待刊论文