CN111812091B - 芯片凝胶电泳及其在线uv-vis成像检测装置 - Google Patents

Abstract

一种芯片凝胶电泳及其在线UV‑VIS成像检测装置，包括：由上而下依次设置的上电极室、具有UV‑VIS通透的凝胶电泳芯片和下电极室、设置于凝胶电泳芯片一侧的光源和依次设置于凝胶电泳芯片另一侧的滤光片、CCD成像检测器，下电极室设置于电控移动平台上，CCD成像检测器输出采集图像至控制分析模块进行在线成像分析。本发明基于集成化凝胶电泳芯片和UV‑VIS检测装置，实现了凝胶快速制备、样品电泳分离、UV‑VIS成像和结果分析的一体化，各步骤可自动化完成，避免现有电泳时制胶、电泳、扫描过程中多次转移凝胶的手工操作，提高分离效率和检测灵敏度。

Description

芯片凝胶电泳及其在线UV-VIS成像检测装置

技术领域

本发明涉及的是一种凝胶电泳领域的技术，具体是一种芯片凝胶电泳-在线UV-VIS成像分析装置。

背景技术

现有平板聚丙烯酰胺凝胶电泳(polyacrylamide gel electrophoresis,PAGE)操作繁杂、耗时长达数小时甚至一天、无法实现自动化，而现有蛋白质电泳芯片、核酸电泳芯片以及毛细管PAGE电泳虽然具备一定的自动化、检测通量和速度，但仍存在以下问题限制其进一步发展和应用：需要使用复杂的衍生技术进行荧光检测，不具有蛋白质和核酸检测的普适性，而大多数蛋白和核酸本身具有紫外吸收，但是目前缺少与普适性的紫外-可见光(ultra-violet visible light，UV-VIS)成像检测兼容的蛋白质/核酸凝胶电泳分离的关键技术和核心部件；第二，虽然现有的在线荧光/化学发光检测技术可以与芯片凝胶电泳兼容，但因PMMA、PC和PDMS等电泳芯片的高分子基质材料不具备紫外透过性，仍然缺少针对芯片电泳的在线UV-VIS成像装置；第三，紫外检测灵敏度一般较荧光/化学发光检测低2～4个数量级，而毛细管/芯片通道的尺寸一般小于50μm，造成UV-VIS光程短，导致蛋白质/核酸毛细管/芯片电泳的紫外检测灵敏度低；第四，因所用材料导热性能低，散热问题一直困扰现有/芯片凝胶电泳，显著降低了凝胶电泳稳定性和分离速度。

发明内容

本发明针对现有平板凝胶电泳操作繁琐、费工费时、分离效率低且无法实现普适性的在线UV-VIS成像检测的问题，以及现有毛细管/芯片电泳使用UV-VIS检测光程短、灵敏度低、兼容性差、热稳定性低的问题，提出一种芯片凝胶电泳及其在线UV-VIS成像检测装置，可以实现芯片凝胶电泳对蛋白、核酸的高效、快速、稳定、灵敏的分离分析，和芯片的实时动态UV-VIS成像检测和分析，同时微型化的电泳芯片装置使用简单、消耗低、实现分离分析自动化，通过独立泳道、导热隔离脊和电极液热容缓冲解决现有凝胶/毛细管/芯片电泳高效并行散热问题，进而提高芯片凝胶电泳稳定性和分离分析速度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种芯片凝胶电泳-在线UV-VIS成像分析装置，包括：由上而下依次设置的上电极室、具有UV-VIS通透的凝胶电泳芯片和下电极室、设置于凝胶电泳芯片一侧的光源和依次设置于凝胶电泳芯片另一侧的滤光片、CCD成像检测器，其中：下电极室设置于电控移动平台上，CCD成像检测器输出采集图像至控制分析模块进行在线成像分析。

所述的凝胶电泳芯片包括：垂直框架、水平框架以及竖直设置于其中的若干独立电泳通道，其中：相邻电泳通道之间设有通道隔离脊，若干电泳通道的前后侧分别设有石英玻璃。

所述的独立电泳通道依次包括：上样通道、分离通道、分离通道狭缝、连接通道。

所述的下电极室包括：下电极以及设置于其上的下电极框和芯片卡槽。

所述的上电极室包括：上电极以及分别设置于其上下的上电极框和密封环。

所述的光源包括但不限于氘灯、钨灯、LED紫外灯、LED可见光谱灯、激光光源，包括但不限于点光源、线光源和面光源；

所述的CCD成像检测器包括但不限于UV CCD成像分析仪或可见光CCD成像分析仪；

所述的电控移动平台可左右方向平移，带动凝胶电泳芯片、下电极室和上电极室同步移动以检测不同区域内的独立电泳通道内的蛋白质或核酸区带。

所述的控制分析模块包括：电泳电压电流控制单元、电控移动平台控制显示单元、光源控制单元、成像控制分析单元、临床疾病电泳谱图数据库单元和输出显示单元，其中：电泳电压电流控制单元与恒流电源相连以稳定控制电压并输出电压使用信息至成像控制分析单元，电控移动平台控制显示单元与电控移动平台相连并控制平台带动芯片左右方向平移并将位置信息输出至成像控制分析单元，光源控制单元与UV-VIS光源相连以控制光源稳定照射并输出光源使用信息至成像控制分析单元，成像控制分析单元与CCD成像镜头相连并接收并记录实时图像信息，临床疾病电泳谱图数据库单元与成像控制分析单元相连并传输谱图信息，输出显示单元与成像控制分析单元相连并传输实时图像信息。

本发明涉及一种基于上述装置的蛋白质或核酸电泳分离和检测的方法，包括如下步骤：

步骤1)将制备好的凝胶芯片安装于下电极室的芯片卡槽内，再将上电极室垂直安装于芯片上端，分别在上电极室和下电极室内加入适量配置好的电泳缓冲液，从凝胶电泳芯片上电极室的上样通道中用加样器逐个加入待测样品溶液，样品体积为0.5-30μL；

步骤2)打开电源，设置合适的电压和电流条件，开始电泳，电压控制在10-500V，电流为0.1-50mA，电泳时长1-10min；

步骤3)电泳过程中和结束后，使用UV-VIS在线成像系统对凝胶在线观察成像，并通过CCD记录和计算机分析图像结果，可以检测蛋白质及核酸等生物物质的在电场-凝胶中的迁移变化和相互作用，获取不同蛋白质和核酸的成分信息、浓度信息和相互作用信息。

技术效果

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1、实现高效快速的电泳分离：本装置采用5-15mm凝胶电泳通道，分离距离较现有PAGE缩短5-20倍，且由于装置具有良好的产热少、散热性能和缓冲性，可施加电场强度达现有PAGE时的3-10倍，因此，分离时间由1小时缩短到600秒、180秒、甚至60秒，同时进行UV-VIS实时成像检测，免去4-6小时的手工染色、脱色和扫描步骤，使整个分离和检测时间可控制在10分钟以内、甚至1-2分钟，速度极快。

2、实现实时动态在线成像分析：如前所述，现有PAGE检测基于繁琐的染色扫描检测，毛细管/芯片凝胶电泳因基于分离通道末端的光密度点检测而无法实现在线UV-VIS成像检测分析；而本发明通过关键凝胶电泳芯片和检测系统的实现了UV-VIS成像分析，实现多个独立电泳通道蛋白和核酸物质的同步瞬间检测分析，避免了现有PAGE繁琐的固定染色脱色扫描检测模式，同时也解决了长期困扰毛细管/芯片凝胶电泳末端的UV-VIS光密度点检测问题，为自动化和高通量分离分析奠定了关键技术。

3、显著提高凝胶电泳的灵敏度：UV-VIS检测灵敏度一般较荧光/化学发光检测低2-4个数量级，而毛细管/芯片通道检测光程一般小于50μm，导致蛋白、核酸的毛细管/芯片凝胶电泳检测灵敏度低；并且现有PAGE凝胶厚度在1mm左右，其检测光程也在1mm左右。本发明电泳凝胶厚度从很薄(0.2～3.0mm)到、中厚(4～10mm)、再到超厚凝胶(～50mm)，但凝胶宽度很窄(～2.0mm)；一方面解决现有和芯片凝胶电泳因凝胶厚度增加带来的散热难题(见以下优点4)，另一方面解决了毛细管(25～75μm内径)/芯片通道(20～80μm厚度)/现有(0.4～1.0mm厚度)凝胶电泳因光程短带来的灵敏度低的问题，将检测灵敏度提高～2000倍(图14)，很好地解决了凝胶电泳灵敏度(图14)与散热(图15)的矛盾。

4、显著提升芯片凝胶电泳的热稳定性：电泳时装置的散热效果和凝胶的温度稳定性极大影响电泳分离结果。现有/芯片凝胶电泳一般使用的高分子材质，如ABS、PC、PDMS、PDMS等，其导热系数较低，一般仅为0.2W/m·K左右，在高的电场强度会导致电泳失败。第一、本发明采用独立的电泳通道，避免了成套PAGE的非分离凝胶的产热问题，从源头上减少无效电泳热量的产生。第二、本发明采用高导热系数材料，包括但不限于导热树脂(1～10W/m·K)、导热陶瓷(30W/m·K)和金属(15～200W/m·K)，有效解决了电泳焦耳热的散热问题(图15)。第三、导热树脂、导热陶瓷和上下电极室缓冲液为高热容量物质，能够吸纳大量热量，有效缓冲温度上升(见图15)。

5、实现了高通量分离检测：凝胶电泳芯片有12～96条电泳通道，每批次可同时实现12～96个样品的凝胶电泳和成像检测，还可进一步进行多芯片电泳或芯片阵列电泳，与现有和芯片凝胶电泳相比，可用于大批量样品的同时快速分析。

6、实现了自动化分离检测：本发明的凝胶电泳芯片可以先在公司进行预制，用户购置后直接使用，避免制胶和反复转移过程；如利用进样器自动进样，则电泳过程和在线成像均为自动化操作，相比于现有PAGE技术，自动化程度大幅提升。

7、实现了试剂耗材低消耗：使用此微尺度的芯片凝胶电泳，每批次消耗凝胶溶液低于1mL(现有PAGE每一块胶需要约10mL)，且电泳时仅需几毫升电极缓冲液(现有PAGE每次需要500-1000mL)，极大减少化学试剂的消耗，减少污染。同时，每次上样所需样品量最低仅1μL左右(现有PAGE需要上样10-20μL)，对样品采集的要求低。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为凝胶电泳芯片的结构三视图；

图3为芯片电泳凝胶的结构示意图、剖面图；

图4为下电极室透视图；

图5为上电极室透视图；

图6为实施例光路结构示意图；

图7为凝胶电泳芯片、下电极室和上电极室装配结构示意图；

图8为薄层型凝胶电泳芯片、下电极室和上电极室透视图；

图9为中厚型凝胶电泳芯片、下电极室和上电极室透视图；

图10为超厚型凝胶电泳芯片、下电极室和上电极室透视图；

图11为超宽型凝胶电泳芯片、下电极室和上电极室透视图；

图12为在线UV-VIS整柱成像分析的结构示意图；

图13为在线UV-VIS整面成像分析的结构示意图；

图中：凝胶电泳芯片1、下电极室2、上电极室3、光源4、滤光片5、CCD成像检测器6、电泳电源7、电控移动平台8、以及分析模块9、电泳通道10、上样通道10.1、分离通道10.2、分离通道狭缝10.3、连接通道10.4、电泳通道阵列10.n(n为电泳通道的数量)、通道隔离脊阵列11.n-1(n-1为通道隔离脊的数量)、通道隔离脊11、垂直框架12、水平框架13、前石英玻璃14、后石英玻璃15、分离凝胶16.1、连接凝胶16.2、分离凝胶阵列16.3、下电极缓冲液室17、下电极18、芯片卡槽19、上电极缓冲液室20、上电极21、密封环22、模拟CCD整柱成像结果23、模拟CCD整面成像结果24；

图14为实施例与现有技术的光程差相比示意图；

图中：毛细管电泳的毛细管内径/检测光程25、芯片电泳的微通道深度/检测光程26、经典电泳凝胶的凝胶厚度/检测光程27、本发明的分离凝胶阵列16.3的凝胶厚度/检测光程；

图15为本发明的焦耳热、温度控制与分离速度计算机模拟图；

图中：图A为凝胶电泳芯片1电泳0s温度分布图，图B为普通材料芯片电泳300s温度分布图，图C为高导热材料芯片电泳300s温度分布图，图D为电泳300s时不同位置和不同材料温度分布对比图，图E为两种蛋白质普通散热材料芯片内凝胶电泳300s时分布图，图F为两种蛋白质普通散热材料芯片内凝胶电泳300s时分布图，图G为两种蛋白质普通散热材料芯片内电泳300s时十二个通道内的分布峰图，图H为两种蛋白质高导热材料芯片内电泳300s时十二个通道内的分布峰图；

图16为在常温实验室环境下，使用普通PC材料凝胶芯片和本装置高导热凝胶芯片进行蛋白电泳的结果谱图对比；

图中：芯片每通道加入1μL标准蛋白Marker样品，施加100V恒压电场电泳3min，得到结果如图16-A，同样的条件下，使用本装置高导热凝胶芯片，得到电泳结果如图16-B。

图17为同一浓度模式蛋白在不同厚度的凝胶芯片电泳后紫外吸收信号强度变化。

具体实施方式

实施例1

如图1和图6所示，为本实施例涉及的一种芯片凝胶电泳及其在线UV-VIS成像检测装置，包括：由上而下依次设置的上电极室3、凝胶电泳芯片1和下电极室2、设置于凝胶电泳芯片1一侧的光源4和依次设置于凝胶电泳芯片1另一侧的滤光片5、CCD成像检测器6，其中：下电极室2设置于电控移动平台8上，CCD成像检测器6输出采集图像至分析模块9。

如图2所示，所述的凝胶电泳芯片包括：垂直框架12、水平框架13以及竖直设置于其中的若干电泳通道10，其中：相邻电泳通道10之间设有通道隔离脊11，若干电泳通道10的前后侧分别设有石英玻璃14、15。

所述的电泳通道10依次包括：上样通道10.1、分离通道10.2、分离通道狭缝10.3、连接通道10.4，其中：电泳分离通道10.2尺寸为长20mm×宽1mm×厚2mm，上样通道10.1长度为3mm，分离通道狭缝10.3长1mm，连接通道10.4整体长40mm×高1mm×厚2mm。

所述的通道隔离脊11长21mm×宽2mm×厚2mm，其中下端的三角形长1mm。

如图3中，凝固后的凝胶在芯片中每对隔离脊11之间产生一个分离凝胶16.1，从而形成分离凝胶阵列16.3结构，由于隔离脊阵列11.11长度略短于垂直框架12，芯片下端的凝胶形成连接凝胶16.2，以便充分接触下电极室2中的电泳缓冲液。

如图4所示，所述的下电极室包括：下电极18以及设置于其上的下电极框17和芯片卡槽19。

如图5所示，所述的上电极室包括：上电极21以及分别设置于其上下的上电极框20、和密封环22。

如图7所示，安装时先将前后两石英玻璃片14、15左右方向与芯片的垂直框架12紧密接合，上方与水平框架13紧密结合，使隔离脊阵列11.11夹于其中，形成具有均匀的12条并排的电泳通道阵列结构10.12，在每个电泳通道中注入凝胶，待凝胶凝固后，将芯片固定于下电极室2的芯片卡槽19中，再将上电极室3垂直方向安装于芯片上端，使密封环22紧密接合芯片水平框架，最终如图8所示，形成薄层型凝胶电泳芯片；分别在下电极室2、上电极室3加入约2mL电泳缓冲液；上样时如图2俯视图，在芯片上端的12个上样通道10.1中，用移液枪分别加入1μL已处理的待测样品溶液，样品溶液因密度大而沉于每个上样通道10.1的下方、分离凝胶16.1上方；打开电源7，设置～300V恒压模式，时间2min，开始电泳。期间，可实现在线UV-VIS成像分析。

本实施例中芯片中凝胶通道和隔离脊交错，不仅使各个通道样品加入和电泳运行均互不干扰，且兼顾了每条凝胶的散热性能；芯片凝胶的厚度可控，通过增加UV-VIS检测的光程差从而提升其检测灵敏度；芯片上样通道为锥形漏斗，便于微量样品加入后随重力沉入并聚集于分离通道上方，产生样品富集效果，可避免使用现有平板凝胶电泳所必须的富集胶；缓冲液上、下槽和芯片通过组装而结合的节约缓冲液使用量，使芯片装置操作更为灵活。

实施例2

含上下电极室的超厚型凝胶电泳芯片

同实施例1的，如图10所示，将超厚型芯片与下电极室、上电极室安装完成，其中，其中电泳分离通道10.2尺寸为长20mm×宽1mm×厚20mm，上样通道10.1长度为3mm，分离通道狭缝10.3长1mm，连接通道10.4整体长40mm×高1mm×厚20mm，通道隔离脊11长21mm×宽2mm×厚20mm，其中下端的三角形长1mm；如图10所示，下电极室2中采用厚度方向上的阵列下电极18结构，对应的上电极室3采用阵列上电极21结构，确保超厚凝胶在厚度方向上电压稳定、均匀。

安装完成后，同实施例1的，分别在下电极室2、上电极室3加入约10mL电泳缓冲液；在芯片上端的12个上样通道10.1中，用移液枪分别加入10μL已处理的待测样品溶液；打开电源7，设置～300V恒压模式，时间10min，开始电泳。期间，可实现在线UV-VIS成像分析。

如图12所示，本实施例涉及上述装置的在线UV-VIS整柱成像分析方法，开始电泳的同时打开UV-VIS光源，设置输出波长280nm蛋白质或260nm核酸，通过分析模块控制电控移动平台8移动到不同的位置上，对每个通道的凝胶定位在线观察，即在芯片凝胶电泳运行时，对芯片中被分析目标物的样品的条带变化进行实时观察，并在芯片凝胶电泳运行过程中或结束后，对芯片中被分析目标物的分离实时状态或结果进行图像采集和储存，根据不同时刻条带分布反映目标物迁移进一步分析不同物质之间的相互作用或分离状态等，每次定位观察得到的图像如图12中CCD整柱成像结果23所示。

在常温实验室环境下，使用普通PC材料凝胶芯片，每通道加入1μL标准蛋白Marker样品，施加100V恒压电场电泳3min，得到结果如图16-A，由于电泳放热，蛋白条带变型，各个通道间重现性较差；同样的条件下，使用本装置高导热凝胶芯片，得到电泳结果如图16-B，各个通道蛋白条带重现性良好，电泳分离效果和稳定性明显提升，同时，通过增加检测器的光程长度可以有效提高电泳蛋白检测灵敏度如图17。

表1为本装置与现有平板凝胶电泳、毛细管凝胶电泳性能比较。本凝胶芯片装置由于通道微型化，每次制胶所需凝胶溶液体积微量、消耗缓冲液仅几毫升，与毛细管凝胶电泳水平相当，每次进样所需样品量也极少，对样品采集要求低；芯片凝胶电泳样品分离速度较现有平板凝胶电泳缩短10倍以上，大幅提高分离效率；另外，一体化在线UV-VIS成像检测系统可实现单通道扫描或多通道直接成像，避免了现有平板凝胶染色脱色成像步骤，明显提高结果获取效率，相比于毛细管柱端荧光检测，实时成像更直接准确的获取目标分析物信息，同时减少了化学衍生步骤；另外，现有微型化的凝胶芯片装置单批次可同时进行至少12个样品的分离，并且通过芯片尺寸改进或阵列即可进一步提升检测通量。

表1芯片凝胶电泳装置、现有平板凝胶电泳及毛细管凝胶电泳性能比较

	芯片凝胶电泳装置	现有平板凝胶电泳	毛细管凝胶电泳
				凝胶体积(mL/通道)	0.05-0.5	0.5-1	＜0.05
消耗缓冲液体积(mL)	＜5	＞500	＞5
				样品加入体积(μL/通道)	0.5-30	10-20	0.01-0.1
电泳分离时间(min)	1-5	45-60	1-10
				凝胶成像时间(min)	＜1	＞120	无
检测通量(分离通道数)	＞12	8-12	1

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种基于芯片凝胶电泳-在线UV-VIS成像分析装置的蛋白质或核酸电泳分离和检测的方法，其特征在于，所述分析装置包括：由上而下依次设置的上电极室、具有UV-VIS通透的凝胶电泳芯片和下电极室、设置于凝胶电泳芯片一侧的光源和依次设置于凝胶电泳芯片另一侧的滤光片、CCD成像检测器，其中：下电极室设置于电控移动平台上，CCD成像检测器输出采集图像至控制分析模块进行在线成像分析；

所述的电控移动平台左右方向平移带动凝胶电泳芯片、下电极室和上电极室同步移动以检测不同区域内的独立电泳通道内的蛋白质或核酸区带；

所述的控制分析模块包括：电泳电压电流控制单元、电控移动平台控制显示单元、光源控制单元、成像控制分析单元、临床疾病电泳谱图数据库单元和输出显示单元，其中：电泳电压电流控制单元与恒流电源相连以稳定控制电压并输出电压使用信息至成像控制分析单元，电控移动平台控制显示单元与电控移动平台相连并控制平台带动芯片左右方向平移并将位置信息输出至成像控制分析单元，光源控制单元与UV-VIS光源相连以控制光源稳定照射并输出光源使用信息至成像控制分析单元，成像控制分析单元与CCD成像镜头相连并接收并记录实时图像信息，临床疾病电泳谱图数据库单元与成像控制分析单元相连并传输谱图信息，输出显示单元与成像控制分析单元相连并传输实时图像信息；

所述的分离和检测的方法，包括如下步骤：

步骤1)将制备好的凝胶电泳芯片安装于下电极室的芯片卡槽内，再将上电极室垂直安装于芯片上端，分别在上电极室和下电极室内加入适量配置好的电泳缓冲液，从凝胶电泳芯片上电极室的上样通道中用加样器逐个加入待测样品溶液，样品体积为0.5-30μL；

所述的凝胶电泳芯片采用高导热系数材料制成；

所述的电泳缓冲液为高热容量物质，能够吸纳大量热量，有效缓冲温度上升；

步骤2)打开电源，设置合适的电压和电流条件，开始电泳，电压控制在10-500 V，电流为0.1-50 mA，电泳时长1-10 min；

步骤3)电泳过程中和结束后，使用UV-VIS在线成像系统对凝胶在线观察成像，并通过CCD记录和计算机分析图像结果，检测蛋白质及核酸的在电场-凝胶中的迁移变化和相互作用，获取不同蛋白质和核酸的成分信息、浓度信息和相互作用信息；

所述的芯片凝胶的厚度可控，通过增加UV-VIS检测的光程差从而提升其检测灵敏度；

所述的凝胶电泳芯片包括：垂直框架、水平框架以及竖直设置于其中的若干独立电泳通道，相邻电泳通道之间设有通道隔离脊，若干电泳通道的前后侧分别设有石英玻璃；凝固后的凝胶在芯片中每对隔离脊之间产生一个分离凝胶，从而形成分离凝胶阵列结构，由于隔离脊阵列长度短于垂直框架，芯片下端的凝胶形成连接凝胶，以便充分接触下电极室中的电泳缓冲液，其中：凝胶电泳通道长度为5-15 mm，凝胶厚度范围为2.0-20mm，凝胶宽度为2.0mm；

所述的独立电泳通道依次包括：上样通道、分离通道、分离通道狭缝、连接通道，其中：芯片上样通道为锥形漏斗，便于微量样品加入后随重力沉入并聚集于分离通道上方，产生样品富集效果；

所述的下电极室包括：下电极以及设置于其上的下电极框和芯片卡槽；

所述的上电极室包括：上电极以及分别设置于其上下的上电极框和密封环。