生物电泳分析仪

p 　　近日，浙江大学方群教授研究组研制出一台可完全手持并独立工作的高速毛细管电泳分析仪，这是迄今为止国际上尺寸最小的基于激光诱导荧光检测的高速毛细管电泳分析仪，该成果以“A Low-Cost Palmtop High-Speed Capillary Electrophoresis Bioanalyzer with Laser Induced Fluorescence Detection”为题发表在学术期刊“SCIENTIFIC REPORTS”上，并得到separationNOW.com网站的亮点报道。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/e0f43721-a7ac-462c-94aa-a0fb41e09f23.jpg" title=" 1_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 掌上高速毛细管电泳生化分析仪外观 /strong /p p 　　高速毛细管电泳(High-speed capillary electrophoresis, HSCE)技术自1991年被提出以来，因其快速、高效又耗样量少的特点，在分析化学领域得到快速发展。近年，即时检测(Point-of-Care Testing, POCT)、环境监测、现场勘查和空间探测等领域的发展对分析仪器的微型化和自动化水平提出了更高的要求，借助于微流控技术的发展、电子元件的集成，小型化也成为HSCE系统的一个重要发展方向。 /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 麻雀虽小五脏全，极简策略显神通 /strong /span /p p 　　这款掌上HSCE分析仪整体尺寸仅为90 mm× 75 mm× 77 mm(长× 宽× 高)，重300 g，成本只有约3500元。体积虽小，但内部却集成了缺口管阵列自发进样模块、毛细管电泳模块、正交型激光诱导荧光检测模块、高电压模块及电子电路控制模块这五大部分。在该仪器研制过程中，采用了“极简微型化”的策略，即基于对仪器分析原理的本质化理解和前期基础研究的成果对仪器进行最大程度的简约化系统设计，保留核心功能，删减暂不必要的次要功能，同时充分借用其他学科领域内低成本的商品化元器件构建仪器系统，达到简化系统结构、缩小仪器体积、大幅降低仪器成本的目的，同时在分析性能上仍可达到与常规分析系统相当的水平。 /p p 　　该研究组之前发展的具有自主知识产权的缺口管阵列自动进样技术、皮升级平移自发进样技术、斜45° 检测正交型激光诱导荧光检测技术等，为微型化HSCE分析仪的研制提供了坚实的基础。而极简微型化策略和低成本元器件的采用，以及对仪器电子电路的最大程度的集成与优化共同促进了这款微型化仪器的出台。利用在淘宝网上购买的数码相机自动对焦模块中使用的微型平移台，以及200 μL离心管，即可构建一个自动化的缺口管阵列自动进样系统，体积仅为传统平移台系统的百分之一，其移动距离可达到17 mm，定位精度达到10 μm，而其成本仅为20元。 /p p 　　在激光诱导荧光检测模块研制过程中，虽然遵从极简微型化策略而使用了小体积的405 nm激光二极管光源、光电二极管检测器和聚焦透镜，但通过采用独特的斜45° 正交型光路以及对系统的深入优化和挖掘潜力，仍能保留较高的仪器检测性能，在S/N=3的条件下，对荧光素纳的检出限达到1.02× 10-9 M，足以与部分使用光电倍增管的常规激光诱导荧光检测器相媲美。此外，通过采用自主设计和加工的整体型光路框架可将激光光源、激光聚焦透镜、毛细管支架与对准装置、荧光收集透镜、荧光滤光片、光电检测器等元件集成于一体，使得整个检测模块的体积仅为44 mm× 42 mm× 40 mm。 /p p 　　在毛细管电泳分离部分，利用缺口管进样系统和平移自发进样方法可实现90 pL的微体积进样，即不需采用昂贵和加工复杂的电泳芯片，只采用普通的短毛细管即可完成高速毛细管电泳分离操作。同时，利用微型化的高电压模块(22 mm× 22 mm× 22 mm)，可提供0 至 - 6000 V 的电泳电压。 /p p 　　熟悉分析仪器研制的人都知道，要实现分析仪器的微型化，仪器的电子控制系统是关键难点之一，电子控制系统需要实现荧光信号的实时采集和处理、图谱的实时显示及数据的保存。更为重要的是，要实现真正的掌上型应用，整个系统需要由小体积的电池供电，而分析仪中的激光二极管、微型平移台和电泳高压模块对电池来说均是耗电的大户。因此，系统除了选用超低功耗嵌入式微控制器实现了控制系统的集成化外，在降低功耗方面还做了很多努力，最终成功实现了仪器的电池供电，单块容量为1150 mA的锂电池可提供10小时以上的连续工作时间。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/e0cc5945-dcd7-4c82-9acb-302624aceeb3.jpg" title=" 2_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 掌上高速毛细管电泳生化分析仪内部结构照片 /strong /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 分离模式多样化，仪器应用尤可期 /strong /span /p p 　　该掌上HSCE分析仪以3.8 cm的毛细管作为分离通道，仅用7秒的时间即可完成3种氨基酸的电泳分离，在如此短的时间内不会形成明显的焦耳热效应，电泳分离可获得约1 μm 塔板高度的高分离效率。这台掌上HSCE不仅适用于氨基酸的毛细管区带电泳分离，也实现了手性氨基酸(D、L-亮氨酸和D、L-天冬氨酸)的胶束电动毛细管色谱快速分离，还实现了5 个DNA片段、3个蛋白质的毛细管凝胶电泳分离。该仪器还被应用于KRAS原癌基因诊断中的PCR产物和酶切产物实际样品的分析。电泳分离图谱直接显示在仪器外壳上的液晶显示屏上，并同步保存在MicroSD数据存储卡上，也可以通过蓝牙模块无线发送到手机或者平板电脑上进行实时监测。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/d29702a5-d745-4964-87df-547353e8c955.jpg" title=" 3_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 掌上高速毛细管电泳分析仪在线分离结果照片 /strong /p p 　　纵观当下的需求和这款掌上HSCE分析仪的性能特点，该仪器作为一个起点，将有助于开拓HSCE更多新的应用领域：几分钟的DNA片段分离有望取代繁琐耗时的平板凝胶电泳，在广大生化实验室中得到普及 用价廉易得的低成本毛细管取代电泳芯片，自动化的操作和四按键的便捷控制成为走进家庭的敲门砖，进而实现个体化健康管理和疾病预防 电池供电超长待机，这是一款行走的HSCE，借此进行床旁检测、传染病监控等指日可待。 /p p 　　该论文的第一作者为浙江大学化学系微分析系统研究所潘建章副研究员、方盼博士和方晓霞博士，通讯作者为浙江大学化学系微分析系统研究所方群教授。特别感谢国家自然科学基金(21435004，21227007和21027008等)对该项工作的支持! /p p 　　SCIENTIFIC REPORTS文章链接： /p p 　　https://www.nature.com/articles/s41598-018-20058-0 /p p 　　separationNOW.com报道链接：http://www.separationsnow.com/details/ezine/161ada26e8d/Cheap-analysis-in-the-palm-of-your-hand-A-miniature-CE-device-made-with-off-the-.html /p

电泳微流控芯片是一种结合了电泳和微流控技术的创新型生物分析工具。该技术整合了微流体学的优势，通过微小尺度的通道、电场和高度灵活的流动控制，实现了对生物分子的高效分离、检测和分析。——技术原理——电泳原理：在电解质溶液中，位于电场中的带电离子在电场力的作用下，以不同的速度向其所带电荷相反的电极方向迁移的现象。电泳微流控芯片技术可以分为两种主要类型：毛细管电泳和芯片上电泳。毛细管电泳利用单根毛细管作为分离通道，而芯片上电泳则将电泳所需的缓冲液、电极等组件集成到一个微流控芯片上，实现设备的微小化和自动化。这种集成化设计使得电泳微流控芯片具有高通量、高效率、低样品消耗和快速分离等优点。电泳微流控芯片的原理主要基于电场驱动下的带电粒子在微尺度流道中的迁移与分离。具体来说，电泳微流控芯片利用微加工技术在芯片上构建微米级的流道，这些流道用于容纳电泳缓冲液。当在芯片两端施加电场时，缓冲液中的带电粒子（如DNA、蛋白质等）会根据其电荷和电场方向发生迁移。不同带电粒子由于其电荷、质量和形状的差异，在电场中的迁移速度会有所不同，从而实现粒子的分离。——应用领域——电泳微流控芯片的应用领域非常广泛，涵盖了多个重要的科学和工业领域。以下是其主要的应用领域：1、生物医学：在生物医学领域，电泳微流控芯片技术主要用于DNA片段、多肽、蛋白质等生物分子的分离和分析。它被认为是后基因时代中最有希望攻克蛋白质研究、基因临床诊断等科学难题的分离分析手段之一。此外，电泳微流控芯片技术也被用于PCR反应，可以大大简化操作步骤，显著提高检测效率。2、新药物合成与筛选：电泳微流控芯片技术在新药研发过程中发挥着重要作用。它可以用于药物分子的分离和筛选，从而加速新药的研发进程。3、食品和商品检验：电泳微流控芯片技术可以用于食品中添加剂、污染物等的检测和分析，确保食品的安全和合规性。同时，它也可以用于商品的质量控制和检验。4、环境监测：在环境监测领域，电泳微流控芯片技术可用于水、土壤、空气等环境样本中有害物质的检测和分析，为环境保护和污染治理提供科学依据。5、刑事科学：电泳微流控芯片在法医学中具有重要的应用，特别是在DNA分离、检测和分析方面，对于个体身份的鉴定和犯罪现场的物证分析具有重要意义。6、其他科学领域：此外，电泳微流控芯片技术还广泛应用于军事科学、航天科学等其他重要科学领域，为这些领域的研究和发展提供了强大的技术支持。——优势——1、高分辨率和快速分离：微流控芯片中的通道尺寸小，因此具有较高的分辨率和更快的分离速度。这使得它能够在短时间内准确地分离和识别出各种生物分子，如DNA、蛋白质等。2、低样品和试剂消耗：由于微流控芯片中的流体通道尺寸微小，所需的样品和试剂量大大减少。这既降低了分析成本，也减少了生物样本的浪费，对于珍贵的生物样本尤其重要。3、高通量分析能力：微流控芯片可以并行处理多个样品，实现高通量分析。这大大提高了分析效率，使得在短时间内能够处理更多的样本，适用于大规模的生物分子分析任务。4、易于集成和自动化：电泳微流控芯片可以与其他技术（如质谱联用）实现联合分析，进一步提高分析的准确性和灵敏度。此外，微流控芯片技术易于实现自动化，减少了人为操作的误差，提高了分析的准确性和可靠性。5、微型化和便携性：电泳微流控芯片采用微型化设计，使得整个分析系统更加紧凑和便携。这使得它可以在现场进行实时分析，无需复杂的实验室设备，为现场检测和即时分析提供了便利。保利微芯公司简介保利微芯科技有限公司隶属中国保利集团公司，由保利置业集团有限公司投资，设计研发微流控生物芯片,公司具备技术先进的微流控生物芯片设计制造能力，已形成创新性的、技术领先的微流控芯片整体解决方案。可以承接国内外芯片设计、应用公司的微流控芯片生产订单，为即时诊断（POCT）、基因测序、环境保护、食品安全和科学研究等应用领域的客户提供有核心竞争力的高性价比芯片产品。

由中科院长春应化所完成的中科院科研装备研制项目“毛细管电泳电化学微型综合分析仪”，12月25日在长春通过了以张玉奎院士为首的专家组验收。专家组认为，该仪器性能良好、灵敏度高、稳定性强、国内外目前尚无该种仪器。 　　毛细管电泳技术和微流控芯片分析方法由于其分别具有分离效率高、生物兼容性好、利于微型化、集成化等特点而被广泛应用于分析科学领域，日益引起国内外的广泛关注。而将二者有机结合，优势互补，搭建一个便捷式经济型多功能生物分析平台??毛细管电泳电化学发光微型综合分析仪，进一步拓展其分析对象和应用范围，更是国际电分析化学领域竞相研发的重要前沿方向。 　　中科院长春应化所汪尔康院士和徐国宝研究员等聚焦这一重要的国际前沿发展方向，在中国科学院科研装备专项的支持下，于2007年2月开始了“毛细管电泳电化学发光微型综合分析仪”的研发。研发中，他们注重发挥在毛细管电泳检测技术和微流控芯片分析方法中的积累和优势，创新性地将电化学发光、电化学等检测技术与毛细管电泳、微流控芯片等分析工具有机结合在一起。在此基础上，由西安瑞迈分析仪器公司配合，进一步微型化、集成化，研发出具有我国自主知识产权的毛细管电泳电化学发光微型综合分析仪样机，属国际首创。 　　与此同时，他们还结合该分析仪器的研发，研制出5种具有生物应用前景的电化学发光探针，并应用于生物分子检测分析 建立了一系列固定电化学发光探针的新方法，并发展出相关电化学发光固体检测器。这些创新成果，为研制的样机在科学研究及临床中推广应用奠定了重要的基础。 　　该仪器是由多通道数据采集分析仪、多功能化学发光监测仪、数控电化学分析恒电位仪、数控毛细管/芯片电泳高压电源等控件所组成的专用系统 系统成功构建了基于WINDOWS操作系统的多窗口、多界面分析化学数据采集与处理平台，实现了多种控制部件的系统连接与控制 在硬件设计中，系统采用了分布式微处理器结构，集成了多个通用或专用处理器管理各控制部件，使系统具有了很高的灵活性和可靠性 由于采用了较为合理的总线连接方式和订制了完善的通讯协议，整个系统具有硬件简单，扩展方便，功能齐全和便于组合等优点。系统中的所有部件既可组合使用，也可单独作为具备相应功能的单项仪器使用。在软件设计中，充分考虑了多参数分析的特点，设计了完善的同步测试功能 针对化学动力过程测试的特点，系统还开展了具有独特功能的以谱图加亮区为主的谱图处理及动态背景扣除等功能 特别设计的样品测试界面，则可使批量样品测试变得简单容易。 　　该仪器的研发成功，丰富了基础科学的研究手段，为蛋白质、DNA、细胞、免疫等前沿领域的科学研究提供了一个新的多功能分析平台，也为一些重大疾病的早期诊断和医治提供了有力的支撑，是我国电分析化学领域取得的又一重要的创新性成果。