CN105738637B - 适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，实现空间生物样品的高效、快速分析。其中，所述的进样及清洗单元，两端分别连接两个三通电磁阀公共端的电泳分离毛细管，电动多位选择阀的公共端与所述的蠕动泵的进口端相连；所述的恒温单元包括四个电泳分离毛细管卡盒固定螺纹孔、毛细管放置槽和控温组件；所述的光学检测单元为共聚焦型激光诱导荧光检测装置；所述的电动位移单元包括垂直方向位移台和旋转位移台；所述的高压电源两端分别与电极相连；所述的光电转换单元由光电倍增管以及增益控制电路组成；所述的信号处理单元由数据采集卡和计算机组成，采集和处理光信号，实现样品的定性和定量分析。

Description

适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置

技术领域

本发明属于空间生命化学分析领域，具体涉及一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置。

背景技术

带电颗粒在电场作用下，向着与其带电性质相反的电极移动，称为电泳现象(Electrophoresis,EP)。利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术。1807年，由俄国莫斯科大学的Reuss最早发现。1937年Tisus成功地研制了界面电泳仪进行血清蛋白电泳，它是在U型管的自由溶液中进行的，电泳后用光学系统使各种蛋白所形成折光率差别成为曲线图象，将血清蛋白分为白蛋白、α1-球蛋白、α2-球蛋白、β-球蛋白和γ-球蛋白，随后，Wielamd和Kanig等于1948年采用滤纸条做载体，成功地进行了纸上电泳。20世纪60-70年代，滤纸、聚丙烯酰胺凝胶等介质相继引入电泳，电泳技术得以迅速发展。丰富多彩的电泳形式使其应用十分广泛。

电泳技术除了用于小分子物质的分离分析外，最主要用于蛋白质、核酸、酶，甚至病毒与细胞的研究。由于某些电泳法设备简单，操作方便，具有高分辨率及选择性特点，已成为医学检验中常用的技术。毛细管电泳技术走向成熟的标志是其分析仪器的不断完善和商品仪器的出现，自1989年出现商品仪器以来，在世界范围内已推出几十种型号的商品化仪器，包括不少自动化程度都较高的仪器，其检测方法也在不断地发展，从广泛使用的紫外可见检测，到二极管阵列检测、激光诱导荧光检测，部分仪器还提供了质谱接口。包括安培检测在内的电化学检测也得到了广泛的应用。

由于毛细管具有良好的散热性能，允许在毛细管两端加上高至30kV的电压，分离毛细管的纵向电场强度可达到500V/cm，因而在样品能在很短的时间内实现分离，分离效率高(理论塔板数达到400,000/m，最高达1,000,000/m数量级)。由于毛细管内径小(一般小于100μm)，对于内径50μm，长度为50㎝的毛细管来说，容积不足1μl，进样体积在nl机，样品浓度可低于10^-4mol/L。因此毛细管电泳技术具有分析仪器所要求的高效、快速、样品用量少等最基本和最优异的特点。此外，毛细管电泳技术还有容易自动化、操作简便、溶剂消耗少、环境污染少的优点。

我国进行了多次动物细胞搭载、空间蛋白质结晶实验、微生物培养箱实验以及二元和三元微生态系统的搭载实验。随着空间生命科学的开展，实验目的不断深化、实验对象不断扩展、实验方法日趋复杂，需要强有力的研究工具支持大量的空间生命科学实验，因此对空间生命科学实验仪器提出了直接而又迫切的需求。

对于生命科学实验来说，空间环境与地面环境相比更为复杂，这为开展载荷发射过程中的超重、高辐射、微重力等条件对细胞和组织等生物研究提供了天然的实验条件。离线分析只能获取实验的初态和末态，开发在线分析仪器能对细胞反应过程中有用产物进行定性定量分析。毛细管电泳系统以其试样消耗少、结构简单、分析高效快速以及自动化程度高等突出优势在生物分离分析领域应用广泛。由于空间实验舱允许的实验载荷体积、质量有限，航天员的空间实验任务繁重，适用于空间实验的毛细管电泳装置必须具备体积小、质量轻、抗震能力强、自动化程度高、性能稳定的基本特点。

目前商业化毛细管电泳装置自动化程度较高、性能比较稳定，但是体积较大，重达数十千克，因此在保证毛细管电泳装置自动化程度、性能的基础上要解决小型化的问题，以适应空间生物实验载荷的要求。

发明内容

针对商品化毛细管电泳仪结构、尺寸、重量不满足空间生化分析实际需求的问题，本发明提供一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，只需航天员装载样品并按下仪器电源键，仪器将全自动执行包括清洗、取样、电泳分离、数据采集及分析、实验数据存储的操作流程，实现空间生物样品的高效、快速分析。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，包括进样及清洗单元、恒温单元、光学检测单元、电动位移单元、高压电源、光电转换单元、信号处理单元；其中：

所述的进样及清洗单元，两端分别连接两个三通电磁阀公共端的电泳分离毛细管，实现正反转的蠕动泵为取样和清洗提供流体驱动力和改变流体方向，电动多位选择阀的公共端与所述的蠕动泵的进口端相连；

所述的恒温单元包括四个电泳分离毛细管卡盒固定螺纹孔、毛细管放置槽和控温组件；

所述的光学检测单元为共聚焦型激光诱导荧光检测装置，激发光源经透镜准直后经过激发光滤光片，滤波后的激发光经二向色镜的反射通过物镜聚焦至检测窗口，激发光诱导产生的荧光经物镜收集透过二向分色片，经共轴放置的滤光片过滤、凸透镜聚焦、孔径光阑后到达光电转换单元；

所述的电动位移单元包括垂直方向位移台和旋转位移台，所述的垂直方向位移台通过螺钉固定于4U机柜的内侧板，所述的旋转位移台平台上通过螺钉固定一体化试剂托盘；

所述的高压电源两端分别与电极相连，一极插入盛装缓冲液的标准液相样品瓶中，另一极通过电隔离装置连接与电泳分离毛细管相连的三通电磁阀，为电泳分离提供高压电场；

所述的光电转换单元由光电倍增管以及增益控制电路组成；

所述的信号处理单元由数据采集卡和计算机组成，采集和处理光信号，实现样品的定性和定量分析。

进一步地，所述的多位选择阀的非公共端口分别与缓冲液、清洗液、纯水储液瓶相连。

进一步地，所述的蠕动泵的预设出口与一个三通电磁阀的公共端相连，通过多位选择阀、蠕动泵、三个三通电磁阀的配合工作，实现避免样品交叉污染的进样和管路的完全清洗。

进一步地，所述的垂直方向位移台能够使旋转位移台能在垂直方向实现上下移动，所述的旋转位移台和垂直方向位移台能通过电控制，配合电控制的蠕动泵、三通电磁阀、电动多位选择阀能实现进样及清洗。

进一步地，所述的光学检测单元通过螺钉固定在L形铝制挡板上，所述的L形铝制挡板通过螺钉固定于4U机柜的内侧板，使激发光束聚焦于毛细管柱上检测窗口。

进一步地，所述的控温组件包括散热器、隔热垫、半导体制冷片、硅胶垫。

进一步地，所述的一体化试剂托盘为能盛放12个盛装缓冲液或样品的标准液相样品瓶。

进一步地，所述的电极为金、银、铂或镍材料制作。

本发明的有益效果：

1、本发明进样及清洗单元采用小型蠕动泵提供流体驱动力，能有效避免泵体直接与试剂或样品的接触对泵造成腐蚀，降低液路清洗难度，体积小、质量轻的特点有利于整机的小型化设计适应空间分析仪器的要求；

2、本发明充分利用蠕动泵可正反转实现流体流向的特点，同时结合三通电磁阀快速响应的特点实现微定量进样，使得本发明在尺寸和性能上均能适应空间生物分离分析的特殊需求；

3、本发明的恒温单元采用在自行设计的恒温单元嵌入半导体制冷片的方式控制毛细管温度，结构简单、尺寸小、不需要制冷剂、工作时没有噪音、寿命长、易安装易控制的优点，能提供更精密更好的温度控制，尤其适用于空间分析仪器；

4、本发明的光学检测单元从减少功耗以适应空间需求的角度出发，选择低功耗、小体积的LED作为激发光源，同时采用共聚焦型检测结构使得检测装置的结构更为紧凑，基本光学元器件均可用合适的螺纹扳手进行安装与卸除，便于在空间环境或地面环境下对其进行必要的维护和拓展应用；

5、由于空间分析仪器采用统一配电的方式，本发明提供专门的电源板以适应空间应用需求，能将空间舱配给的电压转换成其他单元的工作电压，测试结果表明电源板的输出电压稳定，能满足空间应用需求。

附图说明

图1是本发明的设计结构框图示意图。

图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)是本发明完成一次电泳过程的原理图。

图3是本发明的进样及清洗单元示意图。

图4是本发明的恒温单元示意图。

图5是本发明的光学检测单元示意图。

图中，1蠕动泵，2硅胶软管，3三通电磁阀，4三通电磁阀，5毛细管，6检测窗口，7三通电磁阀，8转接头，9螺纹接口不锈钢针头，10耐高压导线，11高压电源模块，12电动多位选择阀，13纯水储液袋，14清洗液储液袋，15缓冲液储液袋，16废液储液袋，17硬管，18液相试剂瓶，19旋转位移台，20升降位移台，21毛细管固定硅胶垫，22固定孔，23通孔，24半导体制冷片，25隔热垫，26散热器，27光电倍增管，28孔径光阑，29双凸透镜，30发射光滤光片，31二向色镜，32激发光滤色片，33激发光源，34LED透镜，35物镜。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体安装与工作方式。

本发明设计结构框图如图1所示，包括进样及清洗单元、检测单元、光学检测单元、光电转换单元、信号处理单元、高压电源模块、恒温单元、电源板及控制电路板。

本发明进样及清洗单元如图2所示，包括蠕动泵1，硅胶软管2，三通电磁阀3，三通电磁阀4，毛细管5，检测窗口6，三通电磁阀7，转接头8，螺纹接口不锈钢针头9，12电动多位选择阀，13纯水储液袋，14清洗液储液袋，15缓冲液储液袋，16废液储液袋，17硬管，18液相试剂瓶，19旋转位移台，20升降位移台。所述的蠕动泵1为电泳进样及清洗过程提供驱动力，预设的进口、出口分别与电动多位选择阀12的公共端、三通电磁阀3的公共端(C)相连；所述的电动多位选择阀12除公共端外的其它孔位分别连接纯水储液袋13，清洗液储液袋14，缓冲液储液袋15，废液储液袋16；所述的三通电磁阀3的常开端(NO)和常闭端(NC)分别连接三通电磁阀7的常闭端(NC)和三通电磁阀4的常闭端(NC)；所述的毛细管5远离检测窗口6的一端连接三通电磁阀4的公共端(C)，其靠近检测窗口6的一端连接三通电磁阀7的公共端(C)；所述的螺纹接口不锈钢针头9通过转接头8分别与三通电磁阀4、三通电磁阀7的常开端(NO)连接；所述的升降位移台20位于旋转位移台19的正下方并通过螺丝钉连接固定，旋转位移台19的台面上固定有能放置12个液相试剂瓶18的托盘。

所述的蠕动泵1由驱动器和泵头组成，所述的硅胶软管2安装在泵头的滚轮部位，通过对安装在蠕动泵1滚轮上的硅胶软管2交替进行挤压和释放来泵送流体；蠕动泵1通过电控制来调整转速、方向、泵管内径来达到流量的变化。

所述的三通电磁阀3、三通电磁阀4、三通电磁阀7为两位三通阀，有公共端C、常开端NO、常闭端NC，断电时，公共端C与常开端连通，上电时，公共端C常闭端NC连通。

所述的电动多位选择阀12为SD(封闭)阀，即通过阀体内部转子的连续旋转来步进多位阀以选择封闭流路其中之一，公共端和出口通过硬管接头和硬管与其它元件连接，硬管接头可以是不锈钢或者PEEK材质，PEEK具有惰性、生物相容性的优点，此外从减小装置重量以适应空间需求的角度出发，本发明优选PEEK材质接头和硬管。

所述的毛细管5是装置的核心部件，本发明采用商品化的弹性熔融石英毛细管，通过剥离毛细管5的外涂层得到检测窗口6，可以采用的涂层剥离方法包括硫酸腐蚀法、灼烧法、刀片刮除法等，本发明在普通刀片的辅助下采用灼烧法得到检测窗口6，长度约为3mm。

所述的纯水储液袋13，清洗液储液袋14，缓冲液储液袋15，废液储液袋16均采用生物级一次性使用多层共挤袋，具有良好的耐酸碱、强度、柔软度、生物兼容性的优点，易于实现空间生物分析所要求的全封闭状态；此外，可挤压的特点能避免在封闭条件下试剂的抽取或灌注引起储液袋内部的压强变化进而对试剂输送造成不良影响。

所述的电极15通常由直径为0.5～1mm的铂丝制成，本发明采用螺纹接口不锈钢针头9作为电极，同时也是进样及清洗单元的重要部分，在高压端焊接耐高压导线18的同时用热熔胶包被，以避免尖端放电对其它元件或设备和实验操作人员造成伤害。

本发明完成一次电泳过程的原理如图3所示，完成一次电泳过程需依次进行样品及试剂装载、平衡管路(a)、平衡管路(b)、进样(c)、电泳(d)、冲洗管路(e)、冲洗管路(f)的工作流程。

步骤一，样品及试剂装载，对储液袋完成试剂装载后通过软连接于电动多位选择阀12的除公共端外的其它孔位；对液相试剂瓶完成样品或试剂装载后，将液相试剂瓶放置于旋转位移台19的样品托盘上，并保证一样品瓶对应一缓冲液瓶与样品托盘台面中心同轴，另两缓冲液瓶与样品托盘台面中心同轴，两空瓶与样品托盘台面中心同轴。

步骤二，平衡管路(a)，旋转位移台19旋转使放置于旋转位移台上的空液相试剂瓶瓶口对准螺纹接口不锈钢针头9，泵1正转(流体方向为从左到右)，三通电磁阀3上电，三通电磁阀4上电，三通电磁阀7断电，高压电源模块11关闭，光学检测单元开启，电动多位选择阀12开启并选择缓冲液，检测基线平稳时完成平衡管路(a)。

步骤三，平衡管路(b)，旋转位移台19旋转使放置于旋转位移台上的空液相试剂瓶瓶口对准螺纹接口不锈钢针头9，泵1正转(流体方向为从左到右)，三通电磁阀3断电，三通电磁阀4断电，三通电磁阀7上电，高压电源模块11关闭，光学检测单元保持开启,电动多位选择阀12开启并选择缓冲液，检测基线平稳时完成平衡管路(b)。

步骤四，进样(c)，旋转位移台19旋转使放置于旋转位移台上的样品瓶、缓冲液瓶口对准螺纹接口不锈钢针头9，泵1反转(流体方向从右到左)，三通电磁阀3断电，三通电磁阀4断电，三通电磁阀7上电，高压电源模块11关闭，光学检测单元保持开启,电动多位选择阀12开启并选择废液，保持一段时间完成进样(c)。

步骤五，电泳(d)，旋转位移台19旋转使放置于旋转位移台上的两同轴缓冲液瓶口对准螺纹接口不锈钢针头9，泵1停止，三通电磁阀3断电，三通电磁阀4断电，三通电磁阀7断电，高压电源模块11开启并输出设置电压，光学检测单元保持开启，检测出峰完成后关闭高压电源模块11。

步骤六，冲洗管路(e)，旋转位移台19旋转使放置于旋转位移台上的空液相试剂瓶瓶口对准螺纹接口不锈钢针头9，泵1正转(流体方向为从左到右)，三通电磁阀3上电，三通电磁阀4上电，三通电磁阀7断电，高压电源模块11关闭，光学检测单元开启，电动多位选择阀12开启并依次选择清洗液和纯水，检测基线平稳时完成冲洗管路(e)。

步骤七，冲洗管路(f)，旋转位移台19旋转使放置于旋转位移台上的空液相试剂瓶瓶口对准螺纹接口不锈钢针头9，泵1正转(流体方向为从左到右)，三通电磁阀3断电，三通电磁阀4断电，三通电磁阀7上电，高压电源模块11关闭，光学检测单元保持开启,电动多位选择阀12开启并选择缓冲液，检测基线平稳时完成平衡管路(b)。

所述的恒温单元如图4所示，由通过螺钉固定的上下两部分组成，包括毛细管固定硅胶垫21、固定孔22、通孔23、半导体制冷片24、隔热垫25、散热器26。所述的毛细管硅胶垫21通过502胶水或不干胶粘附于恒温单元上部分机械刻蚀的小槽中，固定后用刀片在上表面划过，所述的毛细管5卡入形成的狭缝中实现初步固定；恒温单元的上下部分采用螺钉通过所述的固定孔22对准固定，实现对毛细管5的进一步固定；所述的半导体制冷片24的冷热面均涂上导热硅脂，热面通过隔热垫25粘附于恒温单元下部分机械刻蚀的浅槽中；所述的通孔23的中心与毛细管5的检测窗口6的中心对齐；所述的散热器26通过机械加工集成于恒温单元的下部分，以散热片的形式实现散热功能。

所述的光学检测单元如图5所示，包括光电倍增管27、孔径光阑28、双凸透镜29、发射光滤光片30、二向色镜31、激发光滤色片32、激发光源33、LED透镜34、物镜35，构成共聚焦型激光诱导荧光检测装置，激发光源33经双凸透镜34准直后经过激发光滤光片32，滤波后的激发光经二向色镜31的反射通过物镜35聚焦至检测窗口6，激发光诱导产生的荧光经物镜35收集透过二向分色片31，经共轴放置的滤光片30过滤、凸透镜29聚焦、孔径光阑28消除杂散光后到达光电倍增管27。

Claims (7)

1.一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，其特征在于：包括进样及清洗单元、恒温单元、光学检测单元、电动位移单元、高压电源、光电转换单元、信号处理单元；其中：

所述的进样及清洗单元，两端分别连接两个三通电磁阀公共端的电泳分离毛细管，实现正反转的蠕动泵为取样和清洗提供流体驱动力和改变流体方向，电动多位选择阀的公共端与所述的蠕动泵的进口端相连,所述的蠕动泵的预设出口与一个三通电磁阀的公共端相连，通过多位选择阀、蠕动泵、三个三通电磁阀的配合工作，实现避免样品交叉污染的进样和管路的完全清洗；

所述的恒温单元包括四个电泳分离毛细管卡盒固定螺纹孔、毛细管放置槽和控温组件；

所述的光学检测单元为共聚焦型激光诱导荧光检测装置，激发光源经透镜准直后经过激发光滤光片，滤波后的激发光经二向色镜的反射通过物镜聚焦至检测窗口，激发光诱导产生的荧光经物镜收集透过二向分色片，经共轴放置的滤光片过滤、凸透镜聚焦、孔径光阑后到达光电转换单元；

所述的电动位移单元包括垂直方向位移台和旋转位移台，所述的垂直方向位移台通过螺钉固定于4U机柜的内侧板，所述的旋转位移台平台上通过螺钉固定一体化试剂托盘；

所述的高压电源两端分别与电极相连，一极插入盛装缓冲液的标准液相样品瓶中，另一极通过电隔离装置连接与电泳分离毛细管相连的三通电磁阀，为电泳分离提供高压电场；

所述的光电转换单元由光电倍增管以及增益控制电路组成；

所述的信号处理单元由数据采集卡和计算机组成，采集和处理光信号，实现样品的定性和定量分析。

2.如权利要求1所述的一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，其特征在于：进一步地，所述的多位选择阀的非公共端口分别与缓冲液、清洗液、纯水储液瓶相连。

3.如权利要求1或2所述的一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，其特征在于：进一步地，所述的垂直方向位移台能够使旋转位移台能在垂直方向实现上下移动，所述的旋转位移台和垂直方向位移台能通过电控制，配合电控制的蠕动泵、三通电磁阀、电动多位选择阀能实现进样及清洗。

4.如权利要求1或2所述的一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，其特征在于：进一步地，所述的光学检测单元通过螺钉固定在L形铝制挡板上，所述的L形铝制挡板通过螺钉固定于4U机柜的内侧板，使激发光束聚焦于毛细管柱上检测窗口。

5.如权利要求1或2所述的一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，其特征在于：进一步地，所述的控温组件包括散热器、隔热垫、半导体制冷片、硅胶垫。

6.如权利要求1或2所述的一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，其特征在于：进一步地，所述的一体化试剂托盘为能盛放12个盛装缓冲液或样品的标准液相样品瓶。

7.如权利要求1或2所述的一种适用于空间生物样品分离分析的全自动化毛细管电泳装置，其特征在于：进一步地，所述的电极为金、银、铂或镍材料制作。