微流控二维电泳芯片切换接口设计及系统测试研究

论文摘要

以微流控芯片上集成微管道网络构建的二维芯片电泳分离分析系统为复杂样品体系的高效分离分析提供了一个有发展前景的技术平台。二维切换接口设计是微流控二维芯片电泳技术发展的瓶颈。本文在全面综述国内外研究的基础上,对二维电泳芯片切换接口的类型进行了分类,总结了分离模式选取的原则,重点研究了胶束电动色谱（Micellar electrokinetic chromatography,MEKC）模式与毛细管区带电泳（Capillary zone electrophoresis,CZE）模式相耦联的微流控二维电泳芯片切换接口设计。课题对芯片上多维分离技术的发展和应用具有重要意义,同时能为开发新型微全分析系统提供理论依据和技术支撑。本文采用玻璃材质电泳芯片,考察了芯片的伏安曲线、电渗流等电学特性;分别采用一维胶束电动色谱和毛细管区带电泳模式对荧光标记混合氨基酸样品体系进行芯片电泳分离分析,优化了缓冲条件、进样场强、分离场强等芯片电泳操作参数。由此提出了胶束电动色谱模式为第一维,毛细管区带电泳模式为第二维,以基于时间顺序的双T切换接口实现二维耦联的微流控二维电泳芯片结构,完成了微流控二维芯片电泳分离分析系统的构建。首先对精氨酸单样品进行二维分析,考察精氨酸样品在一维管道中分段迁移的情况,并成功将第一维分离管道中的样品进样到第二维分离管道,优化出第二维分离的启动时间为55s,进样时间为5s。然后,将MEKC在线推扫富集技术引入二维芯片电泳系统中,在第一维MEKC模式中实现了样品的高效富集,对赖氨酸及苯丙氨酸的富集倍数分别达到了150倍和900倍左右,并将富集后的样品引入二维分离通道,每个氨基酸样品峰被分成2-3次进样到第二维,实现了二维分离检测。最后,采用该二维芯片电泳系统完成了对精氨酸、赖氨酸等5种氨基酸样品混合物的二维分离分析,每个样品峰被分成2-3次进样到第二维分离管道进行二维分离。通过建立数学模型,计算得到MEKC模式与CZE模式之间的正交性为56.0%,表明两种分离模式之间具有良好的正交性。研究表明本文设计的具有双T切换接口的微流控二维芯片电泳分离分析系统能够实现氨基酸样品二维分离分析。开发二维芯片电泳系统的最终目标是解决复杂生化样品体系分离分析的需要,将所构建的系统用于诸如蛋白质样品体系的分析测试,将是下一步工作需要着重解决的问题。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 芯片电泳
• 1.2 微流控二维芯片电泳
• 1.3 微流控二维芯片电泳研究进展
• 1.3.1 MEKC 与CZE 耦联
• 1.3.2 OCEC 与CZE 耦联
• 1.3.3 IEF 与CZE 耦联
• 1.3.4 IEF 与SDS 凝胶电泳耦联
• 1.3.5 IEF 与CZE 或CGE 的微阀接口耦联
• 1.3.6 SDS-CGE 与MEKC 耦联
• 1.3.7 其它耦联模式
• 1.3.8 接口和采样方式
• 1.3.9 检测技术
• 1.4 本论文的意义及主要研究内容
• 2 微流控二维芯片电泳
• 2.1 二维芯片电泳基本原理
• 2.2 二维电泳芯片分离模式选取
• 2.3 芯片区带电泳分离分析
• 2.4 芯片胶束电动色谱分离分析
• 2.5 芯片电泳的激光诱导荧光检测原理
• 2.6 二维芯片电泳正交性评价
• 3 微流控芯片电泳操作参数优化
• 3.1 引言
• 3.2 仪器、试剂及溶液配制
• 3.2.1 仪器和设备
• 3.2.2 药品及试剂
• 3.2.3 溶液配制
• 3.3 玻璃材质电泳芯片的制作及性能评价
• 3.3.1 玻璃材质电泳芯片的制作
• 3.3.2 管道尺寸及形貌表征
• 3.3.3 伏安曲线与电渗流的测定
• 3.4 芯片电泳分离系统
• 3.5 MEKC 芯片电泳分离
• 3.5.1 进样条件的优化
• 3.5.2 分离条件的优化
• 3.5.3 缓冲条件的选择及优化
• 3.5.4 有机添加剂对分离效果的影响
• 3.6 CZE 芯片电泳分离
• 3.6.1 缓冲条件的选择及优化
• 3.6.2 进样条件的优化
• 3.6.3 分离条件的优化
• 3.7 本章小结
• 4 微流控二维电泳芯片及其分析系统性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 仪器、试剂及溶液配制
• 4.2.1 仪器和设备
• 4.2.2 药品及试剂
• 4.2.3 溶液的配制
• 4.3 MEKC-CZE 二维电泳芯片的设计制作
• 4.4 微流控二维芯片电泳分离分析系统的构建
• 4.5 二维芯片电泳实验
• 4.5.1 单样品分析
• 4.5.2 MEKC 在线推扫富集技术在二维芯片电泳分离中的应用
• 4.5.3 二维芯片电泳分离混合氨基酸样品
• 4.6 正交性评价
• 4.7 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录