CN109759150A - 基于微自由流电泳的可控夹流进样装置、进样方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于微自由流电泳的可控夹流进样装置、进样方法及应用。所述可控夹流进样装置，包括微自由流电泳芯片，所述微自由流电泳芯片包括分离通道，所述分离通道的两侧设置电极；进样区，所述进样区设置在所述分离通道的流入端，且所述进样区设置有一条样品通道和两条缓冲液通道，所述样品通道垂直于两条缓冲液通道，且两条缓冲液通道在同一轴线上使得所述进样区呈“┴”型；出口通道，所述出口通道设置在分离通道的流出端。本发明所述的可控夹流进样技术适用于连续的自由流电泳分离，能有效地减小样品初始带宽、提高分离性能，且芯片制作要求、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及微自由流电泳技术领域，具体涉及基于微自由流电泳的可控夹流进样装置、进样方法及应用。
背景技术
微自由流电泳(Micro free-flow electrophoresis，μFFE)是一种连续高速电分离的微型化分析方法。其应用范围广，从小分子荧光染料到生物大分子甚至细胞的分离纯化都有报道。与商业化的大型自由流电泳相比，微自由流电泳具备快速、便携、样品和溶剂消耗量小等优点。亦可接入在线系统，成为连续样品制备或多步合成中微制备分离分析的关键步骤。目前微自由流电泳的发展主要受制于复杂的装置加工和可控性较低的分离性能。
与毛细管电泳一样，自由流电泳的分离度由电场强度、样品电迁移率、样品在电场中的滞留时间和样品的展宽决定。与毛细管电泳不同的是自由流电泳中样品流在分离腔中发生偏转、产生额外样品展宽，严重影响了分离效果。为了提高自由流电泳的分离效果，调节电场强度是最常用和直接的方法，但是过大的电场强度会引起焦耳热的升高、破坏分离。利用微加工技术，在微通道内实现的自由流电泳能迅速散热、有效减小焦耳热。另一种提高自由流电泳分离效果的方法是控制样品展宽。自由流电泳的样品展宽主要受初始带宽、扩散展宽、流体动力学展宽和样品流偏转四个因素综合影响。近年来，已出现大量计算机模拟及实验室研究，设计缩小流体动力学展宽和减少扩散展宽的方法，也提出了针对样品流偏转的新型分离度分析方法。然而，随着扩散展宽、流体动力学展宽和样品流偏转进一步减小，初始带宽逐渐成为影响样品展宽和分离性能的主导因素。但是，在目前的研究中样品初始带宽常被假设为不变因素，研究较少。基于以上分析，本领域中需要提出可以有效调控样品初始带宽、实现快速分离的新型进样技术。
发明内容
本发明的目的在于针对目前微自由流电泳对于样品初始带宽研究的不足，提供了一种可控的夹流进样装置、进样方法及其应用，该技术适用于连续的自由流电泳分离，能有效地减小样品初始带宽、提高分离效率，且芯片制作要求、成本低。以有效解决现有技术中的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于微自由流电泳的可控夹流进样装置，包括微自由流电泳芯片，所述微自由流电泳芯片包括分离通道，所述分离通道的两侧设置电极；进样区，所述进样区设置在所述分离通道的流入端，且所述进样区设置有一条样品通道和两条缓冲液通道，所述样品通道垂直于两条缓冲液通道，且两条缓冲液通道在同一轴线上使得所述进样区呈“┴”型；出口通道，所述出口通道设置在分离通道的流出端。
进一步地，所述样品通道宽度:缓冲液通道宽度:分离通道宽度为1:1-5:1-10；所述分离通道宽度为0.6-6.0mm，长度为2.5-25mm，深度为20-100μm。
进一步地，所述微自由流电泳芯片材料为环烯烃共聚物(COC)、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的任意一种，所述电极材料为铂丝、金丝、碳纳米管中的任意一种。
进一步地，所述出口通道有两条并由分离通道流出端向两侧水平延伸，使得所述微自由流电泳芯片整体呈“土”型。
本发明的微自由流电泳芯片分别设置有缓冲液通道和样品通道，从而实现不同流量比的夹流进样。在不改变微通道尺寸、操作电压等条件的情况下，通过简单的调控缓冲液与样品的流量比可以实现对分离区中混合样品分离性能的调控。本发明所述的可控夹流进样技术适用于连续的自由流电泳分离，能有效地减小样品初始带宽、提高分离性能，且芯片制作要求、成本低。
本发明还提供一种基于微自由流电泳的可控夹流进样方法，包括如下步骤，1)、实验前，先使用缓冲液充满整个装置后更换样品溶液进行进样；2)、调节电场强度，再调节缓冲液流量与样品流量的比值r，并拍照记录样品初始带宽图及分离图；
3)、在分离通道下游拍照记录分离图或对出口通道的流出物进行取样检测。
进一步地，所述步骤2)中，控制缓冲液流量与样品流量的初始比值r为1，然后再增大缓冲液流量与样品流量的比值r，并分别拍照记录样品初始带宽图及分离图。
进一步地，所述电场强度的调控范围为10-500V/cm；所述缓冲液流量与样品流量的比值调节范围为1-256。此时保证可进样条件下最大程度的样品带宽调控。
本发明的一种基于微自由流电泳的可控夹流进样装置可在荧光染料分离中得到应用。
本发明的一种基于微自由流电泳的可控夹流进样装置可在氨基酸分离中应用。
本发明的一种基于微自由流电泳的可控夹流进样装置及其进样方法适用于连续的自由流电泳分离。通过控制通过缓冲液流量与样品流量的比值，能从进样口处减小样品初始带宽从而缩小整个分离过程中的样品展宽，利于样品实现快速分离，同时降低了进样区通道制作要求，使微自由流电泳的芯片制作成本降低。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明可控夹流进样装置的微自由流电泳芯片的结构示意图；
图2为缓冲液流量与样品流量比值r从1到256时样品初始带宽比较图；
图3为本发明实施例1不同样品与缓冲液流量比对荧光染料分离效果比较图；
图4为本发明实施例2不同样品与缓冲液流量比对氨基酸分离效果比较图。
图中，1、分离通道；2、样品通道；3、缓冲液通道；4、出口通道；5、电极；a、进样区；b、分离区；c、拍照检测区。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述
如图1所示，图1为本发明可控夹流进样装置的微自由流电泳芯片的结构示意图，本发明提供基于微自由流电泳的可控夹流进样装置，包括微自由流电泳芯片，该装置是在环烯烃共聚物(COC)芯片上实现的，也可以为玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片中的任意一种。所述微自由流电泳芯片包括分离通道1、进样区a、和出口通道4，所述进样区a设置在所述分离通道1的流入端，所述出口通道4设置在分离通道1的流出端。
所述分离通道1的两侧设置电极5，所述电极5是由铂丝镶嵌并配合热压而成，电极5分为正负极，外接电源(图中未示出)，形成电场。所述分离通道1宽度为0.6-6.0mm，长度为2.5-25mm，深度为20-100μm；优选的，分离通道1宽度为1.6mm，长度为5mm，深度为70μm。所述样品通道宽度:缓冲液通道宽度:分离通道宽度为1:1-5:1-10，更优选的，所述样品通道2宽度:缓冲液通道3宽度:分离通道1宽度为1:1:3。
所述进样区a设置有一条样品通道2和两条缓冲液通道3，所述样品通道2垂直于两条缓冲液通道3，且两条缓冲液通道3在同一水平轴线上使得所述进样区a呈“┴”型。样品通道2与两条缓冲液通道3汇聚并与分离通道1相通。还包括注射泵(图中未示出)，所述注射泵分别连接缓冲液通道3和样品通道2；“┴”型进样区a两边的缓冲液通道3与一台双通道注射泵相连，中间的样品通道2通过一台单注射泵加载样品。通过注射泵可以实现样品和缓冲液通过夹流方式进入分离通道1，注射泵可以控制液体的流量，从而可以通过注射泵控制缓冲液与样品流量比。
所述出口通道4由分离通道1流出端向两侧水平延伸，两条出口通道4与两条缓冲液通道3相互平行，且两条出口通道4在水平方向上比两条缓冲液通道3更长。如此一来，使得所述微自由流电泳芯片整体呈“土”型。
本发明的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置，样品溶液和缓冲液采用夹流方式进入分离通道1，并在电场作用下，在分离区b进行分离，此过程中，可通过注射泵简单的调控缓冲液与样品的流量比进而改变样品的初始带宽。在进样区a和分离区b交汇的地方形成拍照检测区c，该检测区c用于实时记录样品的初始带宽。如图2所示，缓冲液流量与样品流量比值r从1到256时样品初始带宽比较图。
本发明的还提供基于微自由流电泳的可控夹流进样方法，包括如下步骤，
1)、实验前，先使用缓冲液充满整个装置后更换样品溶液进行进样；
2)、调节电场强度，再调节缓冲液流量与样品流量的比值r，并对拍照检测区c进行拍照记录样品初始带宽图；
3)、在分离通道下游拍照记录分离图或对出口通道的流出物进行取样检测，并在图中分离通道的同一位置读取荧光强度并作荧光强度图。
所述步骤2)中，控制缓冲液流量与样品流量的初始比值r为1，然后再增大缓冲液流量与样品流量的比值r，并分别拍照记录样品初始带宽图及分离图。
所述电场强度的调控范围为10-500V/cm；所述缓冲液流量与样品流量的比值调节范围为1-256。此时保证可进样条件下最大程度的样品带宽调控。
通过本发明的可控夹流进样装置和进样方法，在不改变微通道尺寸、操作电压等条件的情况下，通过简单的调控缓冲液与样品的流量比可以改变样品的初始带宽进而实现对分离区b中混合样品分离性能的调控。本发明的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置可在荧光染料分离和氨基酸分离中得到良好应用。
下面通过两个实施例来说明本发明的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置、方法及应用。
实施例1：荧光染料的分离
本实例使用含0.05％羟丙基甲基纤维素(w/w)的1mmol/L HEPES作为缓冲液，使用缓冲液配制浓度均为500μmol/L罗丹明B与罗丹明6G混合溶液作为样品溶液。实验前，先使用缓冲液充满整个通道后更换样品溶液进行进样。实验时，控制样品溶液流量为20μL/min，缓冲液流量为20μL/min，样品溶液与缓冲液体积流量比r为1。待系统稳定后，调节电压至20V，拍照记录现象。在电压保持20V不变的情况下，调节样品溶液流量至0.156μL/min，此时r为128，拍照记录现象。
当样品溶液与缓冲液流量比r从1增加到128时，样品初始带宽从800μm缩小到35μm。在分离通道下游同一位置读取荧光强度并作图。该荧光染料混合样品的分离效果如图3所示。
实施例2：氨基酸的分离
氨基酸衍生方法：用10mmol/L NaHCO3溶液分别配制25mmol/L氨基酸溶液，配制4mg/mL NBD-F甲醇溶液。往1.2mL 25mmol/L氨基酸溶液中加入600μL 4mg/mL NBD-F甲醇溶液，在80℃水浴下反应15min。
本实例使用含0.05％羟丙基甲基纤维素(w/w)的1mmol/L HEPES作为缓冲液，使用缓冲液配制浓度分别为2.25mmol/LNBD-F标记的谷氨酸(Glu)与1.5mmol/L NBD-F标记的赖氨酸(Lys)混合溶液作为样品溶液。实验前，先使用缓冲液充满整个通道后更换样品溶液进行进样。实验时，控制样品溶液流量为20μL/min，缓冲液流量为20μL/min，样品溶液与缓冲液流量比r为1。待系统稳定后，调节电压至34V，拍照记录现象。在电压保持34V不变的情况下，调节样品溶液流量至0.625μL/min，此时r为32，拍照记录现象。
当样品溶液与缓冲液流量比r从1增加到32时，样品初始带宽从890μm缩小到56μm。在分离通道下游同一位置读取荧光强度并作图，该氨基酸混合样的分离效果如图4所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于微自由流电泳的可控夹流进样装置，包括微自由流电泳芯片，其特征在于：所述微自由流电泳芯片包括分离通道，所述分离通道的两侧设置电极；
进样区，所述进样区设置在所述分离通道的流入端，且所述进样区设置有一条样品通道和两条缓冲液通道，所述样品通道垂直于两条缓冲液通道，且两条缓冲液通道在同一轴线上使得所述进样区呈“┴”型；
出口通道，所述出口通道设置在分离通道的流出端。
2.根据权利要求1所述的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置，其特征在于：所述样品通道宽度:缓冲液通道宽度:分离通道宽度的比值为1:1-5:1-10；所述分离通道宽度为0.6-6.0mm，长度为2.5-25mm，深度为20-100μm。
3.根据权利要求1所述的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置，其特征在于：所述微自由流电泳芯片材料为环烯烃共聚物(COC)、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的任意一种；所述电极材料为铂丝、金丝、碳纳米管中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置，其特征在于：所述出口通道有两条并由分离通道流出端向两侧水平延伸，使得所述微自由流电泳芯片整体呈“土”型。
5.基于微自由流电泳的可控夹流进样方法，其特征在于：包括如下步骤，
1)、实验前，先使用缓冲液充满整个装置后更换样品溶液进行进样；
2)、调节电场强度，再调节缓冲液流量与样品流量的比值r，并拍照记录样品初始带宽图及分离图；
3)、在分离通道下游拍照记录分离图或对出口通道的流出物进行取样检测。
6.根据权利要求5所述的基于微自由流电泳的可控夹流进样方法，其特征在于：所述步骤2)中，控制缓冲液流量与样品流量的初始比值r为1，然后再增大缓冲液流量与样品流量的比值r，并分别拍照记录样品初始带宽图及分离图。
7.根据权利要求5所述的基于微自由流电泳的可控夹流进样方法，其特征在于：所述电场强度的调控范围为10-500V/cm；所述缓冲液流量与样品流量的比值调节范围为1-256。
8.根据权利要求1至4任意一项所述的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置在荧光染料分离中应用。
9.根据权利要求1至4任意一项所述的基于微自由流电泳的可控夹流进样装置在氨基酸分离中应用。
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