CN101750450A - 一种用于阵列毛细管电泳的自动进样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于阵列毛细管电泳的自动进样装置。该装置分为毛细管进样端缓冲液槽和清洗槽、毛细管出口端密封槽、气体压力控制器和二维运动控制部分。该装置可实现以下功能：利用微型真空泵和压力缓冲腔组合，精确控制阵列毛细管两端的压力差和进样时间，保证进样量的重复性；同时能在进样后对毛细管外壁进行清洗，消除样品残留；还可实现缓冲溶液的自动更换和样品位、缓冲液位、清洗位的自动对准。利用该进样装置可为CAE提供全自动的、可靠的、重复的进样方法，消除人为误差，为CAE获得准确有效的定量数据提供必要的前提。

Description

一种用于阵列毛细管电泳的自动进样装置

技术领域

本发明涉及毛细管电泳分析，特别针对阵列毛细管电泳这种高通量的分析设备，可为其提供压差式自动进样功能，具体地说是一种用于阵列毛细管电泳(CAE)的自动进样装置。本发明可在蛋白质组学研究、药物分析和环境分析等领域得到广泛应用。

背景技术

阵列毛细管电泳(Capillary Array Electrophoresis，CAE)是基于单根毛细管电泳技术，利用多根毛细管一次性分析多个样品，实现高通量、快速、低溶剂消耗的分析。阵列毛细管电泳仪首先由美国的Mathies(Xiaohua C.，Mathies，et al.Anal.Chem.1992，64：967)等人提出，采用多通道毛细管凝胶电泳技术对DNA进行了测序。随着CAE荧光检测技术的完善，科学家们能同时检测的毛细管数量不断得到提高，人类基因组计划得以提前完成。进入“后基因组”时代后，随着其他物种的DNA测序和基因组之间关系研究的开展、药物筛选和组合化学领域中超巨量的样品分析任务使CAE成为重要的分析手段，发挥着重要的作用。

CAE的进样技术和单根毛细管电泳进样技术相似，包括电迁移进样(Huang X，Zare R.et al，Anal.Chem.1988，60：375)、压差进样(U.S.Pat.No.5326445、U.S.Pat.No.5217590)和扩散进样。

电迁移进样也称电动力学进样，是指在样品溶液中，很短时间内施加进样电压，在电场作用下使样品进入毛细管。这种方法对样品中的不同组分存在“歧视效应”，即电迁移速率大的组分进样量大，电迁移率小的组分进样量小。目前用于DNA测序的毛细管凝胶阵列电泳的进样技术都采用该方法。

压差进样是利用毛细管两端的压力差将样品压入或吸入毛细管中，有三种形式：进样端形成正压，出口端抽负压，调节进样端和出口端之间相对高度产生虹吸作用。根据流体动力学，进入毛细管的进样量可由以下公式描述：

$Q=\frac{{\mathrm{\πr}}^4\·c\·t_i}{8\mathrm{\η}\·L_t}\·\mathrm{\ΔP}$

其中Q为进样量，r为毛细管内径，c为样品浓度，t_i为进样时间，η为样品溶液粘度，L_t为毛细管总长，AP为毛细管两端的压力差。对于确定的毛细管电泳系统，在进样时保证样品溶液粘度η不变(一般控制温度)，只要控制AP和t_i两个参数，即可控制进样量。压差进样不存在歧视效应，能保证样品的原始成分，易实现自动操作。

扩散进样是利用浓度差原理，在毛细管端面将样品引入毛细管。扩散进样只能控制进样时间，因此变化较少；同时由于样品之间的扩散系数不同，各样品成分的进样量即使在相同进样时间下也不同。

以上技术在进样时都是将毛细管直接浸入样品溶液，因此样品溶液有可能在毛细管外壁残留。这部分残留样品在随后的电泳分离所需高电压的驱动下，进入毛细管，成为影响进样重复性的不确定因素之一。最好的办法是在进样之后去除毛细管外壁的样品，然后再进行电泳分离。

毛细管电泳中一般使用内径在100μm以下的毛细管，其进样量为nL级，如采用手工进样，进样量很难控制，其进样重复性误差RSD一般大于5％。而一种分析方法要用于定量分析则要求最后分析结果的RSD小于3％。由于这个原因，毛细管电泳(包括阵列毛细管电泳)的应用领域远不如高效液相色谱法广泛。进样的准确性和重复性正是影响毛细管电泳技术应用和发展的瓶颈问题。利用机电自动化原理和技术可以控制电泳分析过程中各动作和装置的各种参数，可消除了人为操作造成的误差和电迁移进样对样品的歧视效应，使分析结果的重复性和可靠性得到大大提高，同时也可拓展阵列毛细管电泳的应用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于阵列毛细管电泳的自动进样装置，适用于毛细管电泳分析，在进样过程中既能准确控制进样压力、进样时间，又能消除毛细管外壁样品残留问题；同时能实现样品位、电泳位的准确定位以及缓冲液的自动更换。本发明使CAE的进样在无人为因素干扰的情况下重复性高，减少人为操作造成的误差，可用于定量分析。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于阵列毛细管电泳的自动进样装置，包括一组进样端相互平行的毛细管阵列和设置于同一平台上的毛细管进样端缓冲液槽、清洗槽和样品盘，毛细管阵列的进样端设置于平台的上方；在平台下方设置有用于调节平台垂直方向高度的电控升降台，在电控升降台下方设置有用于调节平台水平方向位置的电控位移台；电控升降台和电控位移台分别与步进电机相连，步进电机与步进电机驱动器电连接；毛细管阵列的出口端插入一密封槽内。

在密封槽上设有负压气体接口，其通过管路与一气体压力控制器相连；气体压力控制器和步进电机驱动器通过导线经由一数据采集卡与计算机相连。

所述缓冲液槽和清洗槽均采用具有良好绝缘性能的高分子材料或无机材料加工而成；它们为上端开口的敞口槽体，方便毛细管和电泳所用电极的插入与离开。

密封槽由上盖和槽体构成，上盖和槽体之间设有一弹性密封垫，通过固定螺丝将上盖和槽体压紧，使弹性密封垫变形从而密封整个槽体。

在所述密封槽的槽体侧壁上设置有用于指示槽内缓冲液液面高度的液位传感器；在密封槽内放置有铂电极，用于实施CAE，电极与高电压输出模块的地线连接。

在密封槽上方设置有缓冲液瓶，其经由二通电磁阀通过管路与设置于密封槽的槽体侧壁上的缓冲液输入接口相连；一废液瓶经由二通电磁阀通过管路与设置于密封槽的槽体底部的缓冲液排出接口相连。

毛细管阵列固定于密封槽的上盖上；上盖设有带螺纹的毛细管固定接口，其数目与毛细管数量相同；毛细管固定接口内壁攻有内螺纹，并与一通孔螺帽的外螺纹匹配；毛细管穿过通孔螺帽和一硅橡胶卡套，用手拧紧通孔螺帽可使硅橡胶卡套微小形变，即可实现固定毛细管；由于通孔螺帽的下平面与硅橡胶卡套紧密接触以及卡套的形变，该接口处于密封状态。

在毛细管阵列的轴向方向上设置有阵列检测器。

所述气体压力控制器由微型真空泵、1个气用二通电磁阀、2个气用三通电磁阀、压力缓冲腔、压力传感器及管路组成，其功能是准确控制毛细管出口端密封槽内部气压，为进样提供准确的压力源；

其管路连接顺序为：微型真空泵的抽气端与二通电磁阀的a端连接，二通电磁阀的b端与压力缓冲腔的左接口连接，右接口与第一个三通电磁阀的a端连接，第一个三通电磁阀的c端与第二个三通电磁阀的c端连接，第二个三通电磁阀的a端连接管成为气体接口；其中压力缓冲腔的上接口与压力传感器连接，三通电磁阀的b端与大气相通。

由于电控位移台和电控升降台是步进电机控制，因此在操作过程中可精确控制毛细管进样端缓冲液槽、清洗槽和样品溶液与阵列毛细管进样端端面的相对位置，还可控制二维方向(Z轴方向和X轴方向)的运动速度、加速度和运动方向；气体压力控制器采用微型真空泵替代商品化毛细管电泳仪中使用的注射泵，和压力缓冲腔配合使用，在保证进样压力得到准确控制的同时降低成本、减小体积；压力缓冲腔内部容积为50-1000mL；压力传感器为差压式压力传感器，其有效测量范围1-100kPa。

本发明的优势和创新点是：

1、为CAE提供可重复的压差进样技术，消除“样品歧视”效应。以往用于DNA测序的CAE由于其毛细管内灌满凝胶，都采用电驱动进样，而压差进样在CAE的应用还未见报道。同时采用低成本、小体积的微型真空泵和压力缓冲腔组合，代替商品化仪器所使用的注射泵，不仅可以提供稳定的负压源，而且提高了仪器的稳定性。另外进样过程都采用自动控制技术，不存在人为因素，因此重复性好，自动化程度高；

2、商品化毛细管电泳仪是手动添加缓冲溶液，无法保证每次添加相同体积的溶液。不同的液面高度将影响压差进样的准确性和重复性。而本装置中的毛细管出口端密封槽中，安放有液位传感器用于指示液面，不仅可以实现自动更换该槽内的缓冲溶液，而且能保证每次更换溶液之后液面高度相同，消除了这个不稳定因素。

3、进样后，毛细管进样端快速进入盛有干净缓冲溶液的清洗槽中，随之快速脱离，在保证样品不被带出毛细管的情况下，减少或基本消除了样品残留，同时减少或基本消除了阵列毛细管之间的交叉污染，将影响进样量的不稳定因素减至最低。因此利用该进样装置可为阵列毛细管电泳提供可靠的分析数据；

4、整个装置结构简单、紧凑，工作可靠。

附图说明

图1是本发明专利的整体装置示意图；

其中，100-阵列毛细管；201-毛细管进样端缓冲液槽；202-清洗槽；203-96孔板(或其他盛放多个样品容器)；300-毛细管出口端密封槽；400-气体压力控制部分；501-电控位移台；502-电控升降台；503-步进电机；504-步进电机驱动器；600-计算机；700-CAE检测器，可以是阵列式紫外-可见光检测器，也可以是阵列式荧光检测器；800-数据采集卡。

图2是毛细管出口端密封槽示意图；

其中，301-上盖；302-密封橡胶垫；303-槽体；304-毛细管固定接口；305-通孔螺帽；306-硅橡胶卡套；307-液位传感器；308-缓冲液输入接口；309-缓冲液排出接口；310-液用二通电磁阀；311-处于相对高度的缓冲液瓶，内装新鲜缓冲液；312-负压接口，与气体压力控制部分的407接口相通；313-铂电极；314-废液瓶；315-通孔螺帽的下平面；316-毛细管固定接口内螺纹；317-通孔螺帽外螺纹。

图3是本发明专利中气体压力控制器中的管路示意图；

其中，401-微型真空泵；402-两位二通电磁阀；403-1和403-2-两位三通电磁阀；404-压力缓冲腔；405-压力传感器；406-气体管路；407-负压气体接口；408-压力缓冲腔左接口；409-压力缓冲腔右接口；410-压力缓冲腔上接口。

图4是二维运动控制部分示意图；

其中，501-电控位移台(X轴)；502-电控升降台(Z轴)；503-步进电机；504-步进电机驱动器；204-平台。

图5是抽负压时气体压力控制器的气体通路示意图；

图6是进样时气体压力控制器的气体通路示意图；

图3-图6中，管路相通的用黑色表示，不相通的则用灰色表示。

图7是利用本装置进样，在5根毛细管阵列上实现的电泳谱图。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置可分为以下几个部分，具体操作如下。

1、毛细管进样端缓冲液槽、清洗槽和样品盘

毛细管进样端缓冲液槽201和清洗槽202采用绝缘性能良好的高分子材料或无机材料，根据毛细管的多少及其间隔确定长度加工而成。装置运行之前，在毛细管进样端缓冲液槽和清洗槽内分别加入一定体积的缓冲溶液。毛细管进样端缓冲液槽为阵列毛细管电泳提供缓冲溶液；清洗槽为进样后清洗阵列毛细管外壁提供干净的清洗液。两个槽都是个开口的槽体，方便毛细管和高压电极的插入与离开。样品盘203用于装载样品，其每排的数目与毛细管数目相同。

2、毛细管出口端密封槽

毛细管出口端密封槽300主体部分是上盖301和槽体303，它们之间有一弹性密封垫302，通过固定螺丝(图中未画出)将两者压紧实现密封。上盖设计有带螺纹的毛细管固定接口304，其数目与毛细管数量相同。毛细管穿过通孔螺帽305(螺纹与毛细管固定接口适配)和硅橡胶卡套306，用手拧紧通孔螺帽即可实现固定毛细管；同时由于通孔螺帽的下平面315与硅橡胶卡套紧密接触和卡套的形变使该接口处于密封状态(如该接口不接毛细管时，则用无通孔的硅橡胶卡套代替原卡套，用通孔螺帽拧紧)。

槽体的壁上安放液位传感器307，用于指示缓冲液高度。槽壁上还有缓冲液输入接口308、排出接口309。缓冲液输入接口通过二通电磁阀310与缓冲液瓶连通。缓冲液的排出接口通过二通电磁310阀连接至废液瓶。电磁阀和液位传感器的使用可以实现缓冲液自动更换功能。该功能保证了每次进样时密封槽内液面高度相同，确保了进样时压力的重复性。

毛细管出口端密封槽上还设有负压气体接口312，与气体压力控制器连接。槽内放置有铂电极313，用于实施CAE，电极与高电压输出模块的地线连接。

3、气体压力控制器

该部分由微型真空泵401、1个二通电磁阀402、2个三通电磁阀403-1和403-2、压力缓冲腔405、压力传感器406及管路407组成。其中微型真空泵401可抽取压力缓冲腔中的气体，代替了商品化仪器中的注射泵。压力缓冲腔是为了克服微型真空泵脉冲式抽气而造成的气压不稳定性，为负压进样提供一个稳定的负压源。压力传感器为差压式，用于测量压力缓冲腔中与外界大气压的的压力差值，保证每次进样时都处于所设定的进样压力。

本部分管路连接顺序可见图3。

电磁阀在管路中的连接可保证各部件之间的密封性能；电磁阀和微型真空泵不同的动作组合(开启和关闭)使该部分按照顺序执行不同的功能。

4、二维运动控制部分

该部分由电控位移台501、电控升降台502、步进电机503、步进电机驱动器504组成。电控升降台安装于电控位移台上，电控升降台上分别放置清洗槽、毛细管进样端缓冲液槽和样品盘。电控位移台在毛细管的延长方向(即X轴方向)上移动，电控升台在垂直方向(即Z轴方向)上移动。电控位移台和电控升降台分别移动，可使毛阵列毛细管进样端分别处于进样位、电泳位和清洗位。

本发明装置在运行过程中需要气体压力控制器和二维运动控制部分依次进行动作，互相配合，在软件程序的控制下实现自动进样、毛细管进样端清洗和自动更换缓冲溶液的功能。

每次启动本装置时，先在毛细管进样端缓冲液槽和清洗槽内加入一定体积的样品，然后固定并密封好阵列毛细管。在毛细管出口端密封槽固定毛细管的具体操作时，可先量好毛细管插入毛细管出口端密封槽的所需深度，在毛细管外壁上标记出，然后将硅橡胶卡套置于该标记处，将通孔螺帽拧紧于毛细管固定接口。在固定毛细管和密封接口的同时，保证阵列毛细管的出口端面在运行过程中，都浸没于毛细管出口端密封槽的缓冲溶液液面之下。最后按以下步骤进行进样操作：

1、X轴501移动到进样位(即阵列毛细管100进样端位于相应样品孔203上方)；

2、给微型真空泵401、阀402、阀403-1供电，此时整个压力缓冲腔右接口409处于密封状态，左接口408与微型真空泵401的抽气口相通。气体压力控制器400执行抽负压功能。在微型真空泵401的工作下，压力缓冲腔404的压力不断减小。压力传感器405实时检测压力缓冲腔404中与外界气压的压力差值。此时相通的气路如图5中黑色管线部分，气流方向如图中箭头所示；

3、当压力传感器405指示的压力达到所设定的进样压力P时，关闭微型真空泵401、阀402，压力缓冲腔404中的压力保持不变；

4、Z轴502向上运动，带动样品盘向上移动，使阵列毛细管100进样端插入相应的样品孔中，Z轴上升的高度保证每次插入样品溶液的深度相同；

5、给阀403-2供电，此时毛细管出口端密封槽300与压力缓冲腔404连通，该动作保持一定时间t₁，即进样时间，待分析样品在负压的作用下进入毛细管。气体压力控制器400执行进样功能。此时相通的气路如图6中黑色管线部分；

6、关闭阀403-1、阀403-2，压力缓冲腔404和毛细管出口端密封槽300都与大气相通，进样结束；

7、Z轴502向下运动，使阵列毛细管100脱离样品盘；X轴501运动，使阵列毛细管100对准清洗槽202；Z轴502快速向上运动，随后又以相同速度快速向下运动，使阵列毛细管100的进样端外壁在干净的缓冲溶液中得到清洗。由于毛细管内径较为细小和阵列毛细管100进样端与清洗槽202内溶液之间的相对运动较快(大于15mm/s)，在消除残留在毛细管外壁的样品的同时，毛细管内部的样品不会被带出；另外还减少或基本消除毛细管之间样品的交叉污染，确保了每根毛细管获得可靠的电泳数据；

8、X轴501运动，使阵列毛细管100对准毛细管进样端缓冲液槽201；Z轴501运动使阵列毛细管100插入毛细管进样端缓冲液槽201；

9、开始电泳和数据采集；

10、电泳结束后，Z轴502和X轴501分别运动至初始位置，等待下次进样。

执行缓冲溶液自动更换功能时，操作步骤如下：

1、给毛细管出口端密封槽排口处的二通电磁阀310供电，在重力作用下，槽体内的废液排入到废液瓶中；

2、待废液排尽，开启入口处的二通电磁阀310，新鲜的缓冲溶液进入槽内，在一定时间内冲洗槽内壁；

3、关闭排口处的二通电磁阀310，液面逐渐上升；

4、待液位传感器307指示槽内液面到达液面时，关闭入口处二通电磁阀310，完成自动更换缓冲液。

图7是利用本装置的进样功能，采用阵列化的荧光检测器同时检测5根毛细管阵列所得到的电泳分离谱图。其中数据采集卡800为美国NI公司的PCI-6221型数据采集卡，控制程序由LabVIEW编制；计算机600为普通个人电脑。进样参数为：进样压力P＝5.0kPa，进样时间t₁＝5s；电泳分离电压为15kV；毛细管：50μm/52cm/30cm(毛细管内径/总长/有效长度)；分析样品为5×10^-6mol/L荧光素溶液；电泳所采用的缓冲溶液为硼砂-氢氧化钠缓冲液(Na₂B₄O₇-NaOH)，其中硼砂浓度为6.25mmol/L，pH＝9.30。重复进样5次，其中毛细管1的荧光素峰保留时间RSD＝0.8％，峰高RSD＝1.1％。

Claims (8)

1.一种用于阵列毛细管电泳的自动进样装置，其特征在于：

包括一组进样端相互平行的毛细管阵列(100)和设置于同一平台上的毛细管进样端缓冲液槽(201)、清洗槽(202)和样品盘(203)，毛细管阵列(100)的进样端设置于平台的上方；在平台下方设置有用于调节平台垂直方向高度的电控升降台(502)，在电控升降台(502)下方设置有用于调节平台水平方向位置的电控位移台(501)；电控升降台(502)和电控位移台(501)分别与步进电机(503)相连，步进电机(503)与步进电机驱动器(504)电连接；毛细管阵列(100)的出口端插入一密封槽(300)内；

在密封槽(300)上设有负压气体接口(312)，其通过管路与一气体压力控制器(400)相连；气体压力控制器(400)和步进电机驱动器(504)通过导线经由一数据采集卡(800)与计算机(600)相连。

2.根据权利要求1所述的自动进样装置，其特征在于：所述缓冲液槽(201)和清洗槽(202)均采用具有良好绝缘性能的高分子材料或无机材料加工而成；它们为上端敞口的槽体，方便毛细管和电泳所用电极的插入与离开。

3.根据权利要求1所述的自动进样装置，其特征在于：密封槽(300)由上盖(301)和槽体(303)构成，上盖(301)和槽体(303)之间设有一弹性密封垫(302)，通过固定螺丝将上盖(301)和槽体(303)压紧，使弹性密封垫(302)变形从而密封整个槽体。

4.根据权利要求3所述的自动进样装置，其特征在于：在所述密封槽(300)的槽体(303)侧壁上设置有用于指示槽内缓冲液液面高度的液位传感器(307)；在密封槽(300)内放置有铂电极(313)，用于实施阵列毛细管电泳，电极与高电压输出模块的地线连接。

5.根据权利要求3所述的自动进样装置，其特征在于：在密封槽(300)上方设置有缓冲液瓶(311)，其经由二通电磁阀(310)通过管路与设置于密封槽(300)的槽体(303)侧壁上的缓冲液输入接口(308)相连；一废液瓶(314)经由二通电磁阀(310)通过管路与设置于密封槽(300)的槽体(303)底部的缓冲液排出接口(309)相连。

6.根据权利要求3所述的自动进样装置，其特征在于：毛细管阵列(100)固定于密封槽(300)的上盖(301)上；上盖设有带螺纹的毛细管固定接口(304)，其数目与毛细管数量相同；毛细管固定接口内壁攻有内螺纹(316)，并与一通孔螺帽(305)的外螺纹(317)匹配；毛细管穿过通孔螺帽和一硅橡胶卡套(306)，用手拧紧通孔螺帽可使硅橡胶卡套微小形变，即可实现固定毛细管；由于通孔螺帽的下平面(315)与硅橡胶卡套紧密接触以及卡套的形变，该接口处于密封状态。

7.根据权利要求1所述的自动进样装置，其特征在于：所述气体压力控制器(400)由微型真空泵(401)、1个气用二通电磁阀(402)、2个气用三通电磁阀(403-1和403-2)、压力缓冲腔(404)、压力传感器(405)及管路(406)组成，其功能是准确控制毛细管出口端密封槽内部气压，为进样提供准确的压力源；

其管路连接顺序为：微型真空泵(401)的抽气端与二通电磁阀(402)的a端连接，二通电磁阀(402)的b端与压力缓冲腔(404)的左接口(408)连接，右接口(409)与第一个三通电磁阀(403-1)的a端连接，第一个三通电磁阀(403-1)的c端与第二个三通电磁阀(403-2)的c端连接，第二个三通电磁阀(403-2)的a端连接管(407)成为气体接口；其中压力缓冲腔(404)的上接口(410)与压力传感器连接，三通电磁阀(403)的b端与大气相通。

8.根据权利要求1所述的自动进样装置，其特征在于：在毛细管阵列(100)的轴向方向上设置有阵列检测器(700)。

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