CN100493682C - 自由流电泳的分离室装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种生物化工技术领域的自由流电泳的分离室装置。本发明包括：上玻璃平板、下玻璃平板、电泳室、电极室、密封结构和水冷散热装置。密封结构包括：塑料薄膜、硬质辐条、C字夹。上、下玻璃平板夹中间挖空的塑料薄膜形成电泳室和电极室，下玻璃平板一端设有若干进液孔，上玻璃平板另一端对称地设有若干出液孔，形成泳道，周边区域由塑料薄膜、硬质辐条和C字夹作为密封结构用来密封。本发明解决了现有自由流电泳装置分辨率和处理量不可兼顾的缺点。本发明可广泛应用于核酸/蛋白质/多肽/细胞/病毒等多种样品的常规FFE分离，可应用于各种在FFE装置进行的样品富集以及制备。

Description

自由流电泳的分离室装置

技术领域

本发明涉及的是一种生物化工技术领域的装置，具体是一种自由流电泳的分离室装置。

背景技术

连续自由流电泳(Free-flow electrophoresis，FFE)简述为不用固相支撑介质和有机溶剂、盐等，只在低离子强度的缓冲液中分离纯化蛋白质等生物大分子和细胞的电泳技术。(吴汉基，蒋远大，刘文喜，张志远，航天医学与医学工程学报.2005，5(18)，355)。与有固相介质填充的凝胶电泳相比，自由流电泳具有效率高、设备操作简单、分辨率好、过程和条件可控、对产物损伤小等优点，是主要的制备型分离手段。同时又由于自由流电泳是一种全液相的电泳模式，分离速度快以及样品回收率高也是其主要的特征。

根据相关的报道，小至简单离子，大至动物细胞甚至组织，都可以用自由流电泳成功分离，同时其分辨率也能够达到很高的标准，已经分离出了很多化学结构上只有细微差别的物质。(李钦，生物化学与生物物理进展.1998，4，338)。自由流电泳分离纯化生物活性物质通常使用的技术主要有区带电泳(ZE)、等速电泳(ITP)和等电聚焦电泳(IEF)三种。(L.Krivankova，Electrophoresis(电泳)，1998，19，1064)。其中区带电泳主要属于大型的制备型电泳，但是由于区带电泳本身存在的缺陷，容易产生区带展宽等负面效应，因此其分辨率往往比较低，分离效率不是很好，而等速电泳和等电聚焦电泳虽然分辨率很高，但是单位处理量很低，绝大多数应用于化学分析方面，极少能够用于制备生物活性物质。

经现有技术文献的检索发现，M.C.Roman，P.R.Brown.Anal.Chem.(分析化学)1994，66卷，86页公开的的“Free-flow electrophoresis as a preparative separation technique”(用作制备分离技术的自由流电泳)中有相关介绍：在自由流电泳中，有两块水平放置、相隔极近的平行板组成一个极薄的电泳室，电泳缓冲液从其中流过而形成稳定的层流。样品通过进样孔进入电泳室后，被液流带动流向另一端；而在与液体流动方向垂直的方向上同时施加电场，因而具有不同电泳迁移率的物质将在电场中迁移不同的距离，从而在电泳室另一端的不同出口处得到收集。由于现在传统的FFE分离室为了提高分离效率，通常具有微型化，处理量小等特点，这种新的同步富集分离模式在传统的FFE分离室中已经很难完成有关的应用研究。要完成有关的研究，需要对现行的FFE分离室装置进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自由流电泳的分离室装置，本发明能在分离室中形成稳定的液流，用于对生物大分子进行分离富集以及制备，解决了现有自由流电泳装置分辨率和处理量不可兼顾的缺点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：上玻璃平板、下玻璃平板、电泳室、电极室、密封结构和水冷散热装置。所述的密封结构包括：塑料薄膜、硬质辐条、C字夹。上玻璃平板和下玻璃平板之间夹有由中央区域被挖空的塑料薄膜形成的电泳室和电极室，下玻璃平板一端设有若干进液孔，上玻璃平板另一端对称地设有若干出液孔，形成泳道，上玻璃平板和下玻璃平板之间所夹的周边区域设置为塑料薄膜、硬质辐条和C字夹。电极室中安装有铂丝电极，电极室与电泳室通过隔膜分隔，电泳室底部设有水冷散热装置。

所述的进(出)液孔，在上玻璃平板和下玻璃平板之间两端呈锯齿形两排罗列，且各个相邻三个液孔呈三角形排列，使玻璃受到的总应力减小。

所述的呈三角形排列，优选为呈正三角形排列。

所述的进(出)液孔，其孔径优选为1mm—2mm。

所述的进(出)液孔，其孔内配有转接头，用来固定进(出)液孔。所述转接头可通过硅胶管连接本发明以外的装置。

所述的转接头，为圆柱形短管，其尺寸相应于与进(出)液孔的尺寸。

所述的水冷散热装置，其横截面积与电泳室面积相适应，其内部设置有若干根等高、等长的支撑辐条，起到支撑下玻璃平板的作用。所述的支撑辐条平行交错放置，使冷却水充分地与下玻璃平板接触。

所述的上玻璃平板和下玻璃平板的尺寸保持一致。

所述的上玻璃平板和下玻璃平板的形状均呈矩形。

所述的塑料薄膜密封，其厚度优选为0.2mm—0.8mm。

所述的铂丝电极，与电压装置通过导线相连，作为电极提供电压。

所述的电泳室两侧(与缓冲液液流方向平行)各设计一个与电泳室平行的电极室。

本发明的电泳室和电极室在下玻璃平板的一端设有1—2mm的小孔若干个，将相应尺寸的圆柱形短管插入小孔固定，作为进液的转接头，通过硅胶管连接分离室前端的气液缓冲分流装置，上玻璃平板尺寸和下玻璃平板完全重合，在与下玻璃平板对应的另一端对应打出1—2mm的小孔若干个，短管作为出液转接头通过硅胶管连接自由流电泳的分离室装置后端的自平衡收集装置。在上玻璃平板和下玻璃平板之间采用边框形的极薄的透明塑料薄膜密封(0.2—0.8mm为宜)，中间部分可以按照自由流电泳的分离室装置的泳道设计的要求挖空，三者采用“三明治夹心”的方式，共同形成电泳室。液流从下玻璃平板的孔道进入电泳室，并贯穿其中后，再从上玻璃平板的孔道流出。这样的设计能很好地清除电泳室中的气泡，为接下来的全液相分离纯化生物活性物质做准备。

本发明的进(出)液孔排列设计根据材料力学理论计算，为减小玻璃所受应力，进(出)液孔的位置呈现锯齿型排列，任意相邻三个孔呈三角形排列，其中优选等边三角形的排列形式。电泳室两侧(与缓冲液液流方向平行)各设计一个与电泳室平行的电极室。电极室中安装有铂丝电极，与电压装置通过导线相连，作为电极提供一定的电压，使电场的方向与缓冲液液流方向相垂直。隔膜将电泳室和电极室完全隔离开来，使电泳缓冲液和电极液之间不会产生对流，同时起到“电桥”的作用。

本发明的密封结构，分布于电泳室的外围四周，该结构由塑料薄膜、C字夹以及硬质辐条共同组成。上下两玻璃平板夹紧透明的边框状塑料薄膜，采用C字玻璃夹承压。为防止玻璃底板受力点不均匀，本发明采用若干较厚的硬质辐条紧贴玻璃平板四周的上下表面，形成“缓冲垫”，再用C字夹压紧。由于硬质辐条的刚性很强，使C字夹的承压力能够均匀地分散到玻璃平板四周，从而达到完全密封的效果，可以防止电泳室的缓冲液以及电极室中的电极液渗漏，又避免了玻璃平板可能因为受力太大造成的变形甚至断裂。

本发明的水冷散热装置安装于下玻璃平板底部，内设若干等长的支撑辐条，其上表面与水冷散热槽的上表面等高，起到支撑下玻璃平板的作用，冷却水从水冷槽的冷却水进液孔进入水冷槽，分散分离室中的焦耳热，再从水冷槽的冷却水出液孔处流出。

本发明工作时，将自由流电泳的分离室装置的出液口一端斜上放置，将缓冲液和电极液缓缓地注入电泳室和电极室，排尽内腔及硅胶管中的气泡，平衡一段时间使得自由流电泳的分离室装置中的液流稳定均一，再将自由流电泳的分离室装置水平放置，启动水冷装置，同时打开电源产生电场，即可进行样品的分离纯化。

本发明有以下优点和效果。

第一，本发明处理量高，适合MCRB(移动化学反应界面)-介导的蛋白质等样品分离富集模式，并具有很高的分辨率。

第二，采用两排交错孔进(出)液，平面几何设计能使玻璃材料承受的打孔应力达到最小，玻璃平板不容易碎裂，并且使分离室在一定宽度内形成高达48泳道甚至96泳道的设想成为可能。

第三，本发明所用的成本很低，配合自平衡收集系统(参见中国发明专利，其申请号为：200510024413.4)和气液缓冲分流复合器(参见中国发明专利，其申请号为：200510024412.X)，所需要的成本大约只有商业仪器的二分之一以下，具有很高的应用前景。本发明的进液口端能够与气液缓冲分流复合器相连接，出液口端能够与分离液自平衡连通收集装置相连接，使出液管的流出液流量均匀一致，最终在FFE分离室中形成稳定均匀的流体动力学环境，能够在该FFE分离室中完成MCRB-介导的同步富集分离新模式和MCRB-介导的高效富集浓缩新模式。

本发明可应用于常规电泳模式分离制备生物活性物质，也可以应用于通过MCRB-介导的同步富集分离模式进行分离富集，本发明具有对FFE分离室进行优化设计，使其具备高通量，高分辨率的特点；能够在FFE分离室中进行更多的分离模式，包括MCRB-介导的同步富集分离模式；拓展FFE在样品富集中的应用，包括MCRB-介导的蛋白质等样品富集等意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中下玻璃平板的平面设计示意图。

图3为本发明中上玻璃平板的平面设计结构示意图。

图4为本发明中电泳缓冲液进液孔或电泳缓冲液出液孔的放大几何设计结构示意图。

图5为本发明中塑料薄膜平面设计结构图。

图6为本发明中水冷散热装置设计三视结构示意图。

其中：1—电泳室，2—电极室，3—隔膜，4—密封层，5—硬质辐条，6—装置固定孔，7—电极液进液孔，8—电泳缓冲液进液孔，9—电极液出液孔，10—电泳缓冲液出液孔，11—铂电极固定孔，12—塑料薄膜，13—C字夹，14—水冷槽，15—支撑辐条，16—冷却水进液孔，17—冷却水出液孔，19—上玻璃平板，20—下玻璃平板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图6所示，本实施例包括：上玻璃平板19、下玻璃平板20、电泳室1、电极室2、密封结构和水冷散热装置。密封结构包括：塑料薄膜12、硬质辐条5、C字夹13。上、下玻璃平板19、20夹中间挖空的塑料薄膜12形成电泳室1和电极室2，下玻璃平板20一端设有若干电泳缓冲液进液孔8，上玻璃平板另一端对称地设有若干电泳缓冲液出液孔10，形成泳道，周边区域由塑料薄膜12、硬质辐条5和C字夹13作为密封结构用来密封。电极室2中安装有铂丝电极，与电泳室1通过隔膜3分隔，电泳室1底部设有水冷散热装置。电泳缓冲液进(出)液孔8(10)，在上、下玻璃平板夹19、20两端呈锯齿形两排罗列，且各个相邻三个液孔呈三角形排列，使玻璃受到的总应力减小。所有进(出)液孔7、8、16(9、10、17)，其孔径为1.5mm。进(出)液孔7、8、16(9、10、17)，其孔内配有转接头，用来固定进(出)液孔。转接头可通过硅胶管连接本实施例以外的装置。转接头，为圆柱形短管，其尺寸相应于与进(出)液孔的尺寸。水冷散热装置，其横截面积与电泳室1面积相适应，其内部设置有若干根等高、等长的支撑辐条15，起到支撑下玻璃平板20的作用。支撑辐条15平行交错放置，使冷却水充分地与下玻璃平板20接触。上、下玻璃平板19、20，其尺寸保持一致。上、下玻璃平板19、20，形状呈矩形。塑料薄膜12密封，其厚度为0.5mm。铂丝电极，与电压装置通过导线相连，作为电极提供电压。电泳室1两侧(与缓冲液液流方向平行)各设计一个与电泳室1平行的电极室2。

本实施例下玻璃平板20的电泳缓冲液进液孔8中任意相邻三孔呈三角形排列，减小玻璃受到的总应力；上玻璃平板19的电泳缓冲液出液孔10的设计和下玻璃平板20的电泳缓冲液进液孔8的设计一致。另外，电极液进液孔7设置在下玻璃平板20，位于电极室2的一侧，电极液出液孔9设置在上玻璃平板19，位于电极室2的另一侧。其中两个电极内腔中各设有一个电极液进液孔7和一个电极液出液孔9。

如图1所示，本实施例的整套分离室中，上玻璃平板19和下玻璃平板20之间是极薄、透明的边框形塑料薄膜12，三者采用“三明治夹心”的方式，共同形成电泳电泳室1和电极室2。位于周边的硬质辐条5分别紧贴下玻璃平板20下部以及上玻璃平板19上部，从上到下的硬质辐条5、上玻璃平板19、塑料薄膜12、下玻璃平板20、硬质辐条5这五层通过C字夹13紧密且均匀地相贴，达到密封的效果，可以防止电泳缓冲液以及电极液的渗漏，其中硬质辐条5起到了均匀分散C字夹13所施加的压力的作用。下玻璃平板20的底部中央设置水冷散热槽14，水槽14的位置和电泳室1的位置相对应重合，面积相同。冷却水从冷却水进液孔16进入冷却槽14，再由冷却水出液孔17流出，起到分散焦耳热的作用。

如图2所示(其中虚线部分从上至下依次表示电极室区域、隔膜区域、电泳室区域、隔膜区域、电极室区域)，本实施例的下玻璃平板20，主要起引进电泳缓冲液和电极液的作用。玻璃平板上开有装置固定孔6，电极液进液孔7以及电泳缓冲液进液孔8。装置固定孔6与上玻璃平板19、塑料薄膜的固定孔6相对应，通过螺栓螺帽来固定整套装置。电极液进液孔7和电泳缓冲液进液孔8分别位于电极室2和电泳室1的一端，通过插在下端的短管和硅胶管连接储液槽。电泳缓冲液进液孔8呈两排设计，各孔的位置呈现锯齿型排列，纵向上任意相邻三个孔之间呈三角形排列，最优化结果为等边三角形排列，如图4所示。隔膜位于隔膜层3，用于隔离电极液和电泳缓冲液。硬质辐条5位于密封层4。

如图3所示(其中虚线部分同如图2)，本实施例的上玻璃平板19，主要起送出电泳缓冲液和电极液的作用。电极液出液孔9和电泳缓冲液出液孔10分别位于电极室2和电泳室1的另外一端，通过插在上端的短管和硅胶管连接分馏收集装置。电极室2的两端设置电极固定孔11，通过螺栓固定铂电极，外部可加入绝缘材料用以防止漏电。装置的固定，出液孔的接头以及密封的方法均与前段的描述一致。

如图5所示(图中四周是边框部分，中间塑料薄膜部分被挖空，作为电泳室1和电极室2)，本实施例的塑料薄膜，整块塑料薄膜12按照板的大小以及各孔的位置进行加工，将中间的部分挖去形成电泳室1以及电极室2，中间用同等厚度的隔膜3隔离。塑料薄膜12在电泳缓冲液进出液口端锯齿放射型的引流设计能够使流入的液流呈现稳定匀速的层流。

如图6所示，本实施例的水冷散热装置，冷却水由冷却水进液孔16，流经水槽14，最后从冷却水出液孔17流出。该装置的横截面积与分离室的电泳室1保持一致，内部放置若干等高、等长的支撑辐条15，起到支撑下玻璃平板20的作用。若干根支撑辐条平行交错放置，能使冷却水充分地与下玻璃平板20接触。水冷散热装置的作用是为了分散电泳过程中积聚的焦耳热，达到更好的分离效果。

本实施例工作时，首先将装置斜上放置，打开恒流泵将电泳缓冲液和电极液缓慢地注入到电泳室1和电极室2中，平衡一段时间，待装置中的气泡去除彻底之后，平放装置，将冷却水注入水冷散热槽14，开启电泳电源，即可多管进样进行分离和富集。制备实验结束以后，先关闭电源，再依次关闭恒流泵和水冷装置，收集48管(或96管)进行分析检测。本实施例具有通量高，分辨率高的优点。

Claims (7)

1.一种自由流电泳的分离室装置，包括：上玻璃平板、下玻璃平板、电泳室、电极室，电极室中安装有铂丝电极，电极室与电泳室通过隔膜分隔，其特征在于，还包括：密封结构、水冷散热装置，所述的密封结构包括：塑料薄膜、硬质辐条、C字夹，水冷散热装置设置于电泳室底部，所述的上玻璃平板和下玻璃平板之间夹有由中央区域被挖空的塑料薄膜形成的电泳室和电极室，上玻璃平板和下玻璃平板之间所夹的周边区域设置为塑料薄膜、硬质辐条和C字夹，硬质辐条分布于分离室装置的外周区域，置于上玻璃平板的上方和下玻璃平板的下方，由C字夹将硬质辐条与上玻璃平板和下玻璃平板夹紧，下玻璃平板一端设有若干进液孔，上玻璃平板另一端对称地设有若干出液孔，形成泳道。

2.如权利要求1所述的自由流电泳的分离室装置，其特征是，所述的进液孔和出液孔的孔内均配有转接头，转接头与硅胶管连接。

3.如权利要求2所述的自由流电泳的分离室装置，其特征是，所述的转接头为圆柱形短管，该短管的尺寸适应于进液孔和出液孔的尺寸。

4.如权利要求1所述的自由流电泳的分离室装置，其特征是，所述的水冷散热装置的横截面积与电泳室面积相适应，其内部设置有若干根等高、等长的支撑辐条。

5.如权利要求4所述的自由流电泳的分离室装置，其特征是，所述的支撑辐条呈平行交错放置。

6.如权利要求1所述的自由流电泳的分离室装置，其特征是，所述的上玻璃平板和下玻璃平板的形状均呈矩形。

7.如权利要求1所述的自由流电泳的分离室装置，其特征是，所述的密封结构中的塑料薄膜的厚度为0.2mm—0.8mm。

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