CN113109411A - 电泳控制方法及设备 - Google Patents

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Abstract

电泳控制方法及设备，将电泳的电场划分为若干分段电场，将电泳的电场沿物质分离方向划分出若干分段电场；设置至少一段所述分段电场的大小、方向和作用时间为可独立控制；通过改变所述分段电场的大小、方向及作用时间，调整物质分离的速度、方向和部位。本发明通过在物质分离方向上划分出若干可独立控制大小、方向的分段电场，实现了物质在电泳时的速度、移动方向和部位的控制。

Description

电泳控制方法及设备
技术领域
本发明涉及电泳领域，具体地说是一种电泳控制方法及设备。
背景技术
电泳槽常用于生物医学的生物大分子分离实验，其原理是：电泳槽的正、负电极分别连接直流电源的正负输出端，电泳槽内部的阳极电极、具有空间网格位阻结构的各种凝胶、电泳槽内的阴极电极、浸没凝胶阴极端与电泳槽阴极电极和浸没凝胶阳极端与电泳槽阳极电极的具有导电特性的缓冲液组成了直流电路回路。
经处理后呈负离子状态的不同分子量的生物大分子(DNA或RNA或蛋白质)混合物，由电泳槽的直流电场提供动力，在具有分子筛作用的凝胶中自电泳槽的阴极端向阳极端迁移。并因分子越大在凝胶中受到的迁移阻力越大的原理，在相同的电泳起点位置和电泳时间下，实现混合的生物大分子的分离。目前市场上常见的电泳槽有水平电泳装置、垂直电泳装置和管状电泳装置。
现有的电泳方法与设备存在很多弊病。现有的各种电泳方法和设备的正负电极都只是固定分布在凝胶的两端，并且直流电源输出端的正负极也是固定不变的，这样整个凝胶处于一个单一方向的直流电场中，无法改变电场大小、方向，进而不能对样品(如DNA或蛋白质)的电泳的速度、迁移方向和迁移位置进行控制。所要分离的生物大分子样品只能根据分子量的大小的特性在凝胶中迁移。由于生物大分子样品中混合着分子量差异非常大的各种样品，目前通常的方法是使用浓度比较高的凝胶去分离较小分子量的样品，使用较低浓度的凝胶去分离较大分子量的样品。但不同大小分子量样品在单一方向直流电场中的胶中电泳也会出现小分子量样品快走到胶的尽头了，大分子量样品之间还未很好分离的结果。并当研究者的目标分离样品同时有较小分子量和较大分子量的情况下，目前通常的方法是分开进行多次电泳。当生物大分子样品获取比较困难并且获取量很少时，严重影响实验和浪费资源。
发明内容
本发明为解决上述问题，旨在提供一种电泳控制方法及设备。
为了达到上述目的，本发明采用的方法包括：
将电泳的电场沿物质分离方向划分出若干分段电场；
设置至少一段所述分段电场的大小和/或方向和/或作用时间为可独立控制；
通过改变所述分段电场的大小、方向及作用时间，调整物质分离的速度、方向和部位。
在一些实施例中，所述电场由同一直流电源通过其若干端子分别输出的各分段电场组成。
在一些实施例中，所述若干端子分别提供若干不同的电势，进而产生各分段电场。
在一些实施例中，控制端子之间输出的电势，进而调整分段电场的大小、方向及作用时间。
在一些实施例中，所述电场由若干可独立控制的分段电场叠加而形成。
在一些实施例中，若干直流电源分别输出电势差并形成所述若干分段电场。
在一些实施例中，控制各直流电源所输出的分段电场，调整叠加后分段电场的大小、方向及作用时间。
在一些实施例中，若需加快或减慢物质的分离速度，则加大或减小所对应的分段电场的大小。
在一些实施例中，若需改变某分段电场中物质分离的移动方向，则改变某分段电场的电场的方向。
在一些实施例中，若需控制物质分离的部位，则选择该物质所在的分段电场，和/或改变其电场大小和/或改变电场的方向。
本发明还提供一种电泳设备，包括用于放置分离物质的载具，沿载具的物质分离方向设若干电极，所述电极分别连接电源，每两个电极之间形成施加于分离物质的分段电场；电源可改变各电极之间的电势差、方向及时间。
其中，所述电极为电极丝，电极丝设于载具的内表面，所述电极丝垂直于物质分离方向。
其中，所述电极分别连接直流电源的若干输出端子，所述输出端子提供不同的电势。
其中，若干独立的电源分别连接两个所述电极，并分别形成若干分段电场；所述若干分段电场叠加而形成电场。
其中，所述电泳设备为垂直电泳装置或管状电泳装置或水平电泳装置。
其中，所述载具为胶板、玻璃管，内部填有凝胶。
和现有技术相比，本发明通过在物质分离方向上划分出若干可独立控制大小、方向的分段电场，实现了物质在电泳时的速度、移动方向和部位的控制。当在不同的电泳阶段启用不同分段电场的方向时，就可以在不同的胶段中控制不同大小分子量样品的电泳迁移率，使得一块凝胶中最大限度地将大分子量与小分子量都能同时得到很好的分离，也可以通过分段电场的应用，使得大分子量的分离速度加快与分离间距加大，达到更好的分离效果。
同时，分段电场也为局部或全部分段的凝胶在短时间内实行电场正反向转换、转换时的电场强度可设置成不同创造了条件——这样更有利于分子量较大的生物大分子在阻力大的较高浓度胶的迁移速度提升和迁移距离的增大，提升了大分子量生物大分子的分离精度。
附图说明
图1为本发明的实施例的示意图；
图2为垂直电泳装置的胶盒的结构示意图；
图3为垂直电泳装置的胶盒的结构示意图；
图4为Thermo公司样品的分段电场电泳结果示意图；
图5为Thermo公司样品的单一电场电泳结果示意图；
图6为Bio-Rad公司样品的分段电场电泳结果示意图；
图7为Bio-Rad公司样品的单一电场电泳结果示意图；
图8为管状电泳装置的玻璃管的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步地说明。
目前的各种电泳(水平电泳、垂直电泳和盘状电泳)都是正负电极通过缓冲液，使得整块凝胶形成一个单一的直流电场。
而本发明则将电泳的电场沿凝胶中物质分离方向划分出若干分段电场E1、E2至En。参见图1，图1展示的是本发明方法的实施例的示意图，将其中至少一段所述分段电场的大小、方向或作用时间设为可独立控制，即每组电极连接可进行单独控制电压、电流、定时、起始时间和终止时间以及正负电极转换的直流电源，这样一块胶就能通过凝胶原有的两端的电极和凝胶中间部位的若干组电极、以及这些电极所连接的单独控制的直流电源DC对于各电极是否输出、输出数值和正负极方向等的控制，实现整块凝胶中的电场可根据需要按各组电极的分布分段控制，进而通过改变所述分段电场的大小、方向及作用时间，调整物质分离的速度、方向和部位。
若需加快或减慢物质的分离速度V，则加大或减小所对应的分段电场的大小；若需改变某分段电场中物质分离的移动方向，则改变某分段电场的电场的方向(一般为180度反向)；若需控制物质分离的部位，则选择该物质所在的分段电场，和/或改变其电场大小和/或改变电场的方向。
参见图2，图2为采用本发明上述方法而设置的垂直电泳装置的胶板的结构示意图。垂直电泳装置的功能是通过聚丙酰胺凝胶空间网格位阻分离混合物中不同大小的生物大分子，主要用作蛋白质样品的分离。使用中，将含有聚丙酰胺凝胶的胶板固定在垂直电泳槽的电极架上，形成内外封闭的内腔。然后将电泳缓冲液加满电极架上内外封闭的内腔，同时在外槽内将特定的电泳缓冲液加到阳极铂金电极的上方，形成从外槽的阳极电极、聚丙酰胺凝胶、电极架内腔阴极铂金电极和直流电源之间的电流回路。在加入混合的生物大分子品后，开启直流电源。作为阴离子的不同分子大小的生物大分子样品在聚丙酰胺凝胶中向阳极运动，最终达到分离。
本实施例中，两块玻璃胶板(8cm x 10cm)组成玻璃胶盒，胶盒中灌注有聚丙酰胺凝胶。凝胶的上下端分别设有电极A、电极B；本实施例在玻璃胶盒的1/2部位的内表面横向加了一根铂金丝电极(电极C)，8cm x 10cm的玻璃胶盒的下1/4部位玻璃板的内表面横向加了另一根铂金丝电极(电极D)。电极A-D分别连接同一直流电源的不同的四个输出端子，四个输出端子可以根据需要而提供相应的电势，再由电势差形成电场。
为了说明本发明的技术优势效果，本实施例还同时运用现有的单一电场的胶盒来作为对比，即使用美国Bio-Rad公司的标准蛋白样品(货号：161-0363)和美国赛默飞世尔(Thermo)公司的标准蛋白样品(货号：26630)在传统的单一电场的凝胶中的电泳效果以及在分段电场中的电泳效果。
实验过程如下。
1.在一个容器中混合2块胶的试剂，分别在8cm x 10cm的玻璃胶盒中灌制2块聚丙酰胺凝胶。
2.其中一个8cm x 10cm的玻璃胶盒上下的1/2和部位玻璃板的内表面横向加了一根铂金丝电极(C电极)，8cm x 10cm的玻璃胶盒上下的下1/4部位玻璃板的内表面横向加了一根铂金丝电极(D电极)。在使得这个凝胶有凝胶上下二端的电极A、B外，在凝胶中间有电极C和电极D，电极A、B、C、D分别连接直流电源的不同的输出端子。另一个胶盒中间没加电极，仅有凝胶上下两端的电极A、B。
美国Thermo公司的标准蛋白样品分离后，每根蛋白条带的分子量从上到下为(单位Kd)：250、150、100、70、50、40、30、20、15、10；
美国Bio-Rad公司的标准蛋白样品分离后，每根蛋白条带的分子量从上到下为(单位Kd)：250、150、100、75、50、37、25、20、15、10。
3.单一电场凝胶：恒定电压120V输出(电极A、B，即E3)，电泳时间60分钟。
A.自电泳开始后25分钟时，10Kd至20Kd的小分子量样品已经迁移过凝胶上下的中线，100Kd至250Kd的大分子量蛋白仅迁移了2毫米。
B.到电泳60分钟时，10Kd的小分子量蛋白已经迁移到了凝胶的下边缘，电泳必须结束了，100Kd、150Kd、250Kd的大分子量蛋白的迁移距离很短，不到整块胶的15％，大分子量蛋白不能很好地分离。
4.分段电场凝胶：
第一段：恒定电压160V输出(电极A、C，即E2)，电泳时间40分钟；
第二段：恒定电压160V输出(电极A、D，即E3),电泳时间15分钟；
第三段：恒定电压160V输出(电极A、B，即E1),电泳时间10分钟。
实验现象：电泳结果见图4-图7。
A.自电泳开始后15分钟时，10Kd和20Kd的小分子量蛋白到达电极C的位置后停留在该位置不再迁移，到40分钟第一段电泳结束时，40Kd以下的小分子量蛋白都被重新挤压在电极C平面形成一个混合条带，50Kd以上的条带都已经有较好的分离距离。
B.第二段电泳15分钟结束时，10Kd和15Kd的小分子蛋白停留在电极D平面，40Kd以上的蛋白有很好的分离距离。
C.第三段电泳10分钟结束时，10Kd与15Kd的蛋白在凝胶的下1/4部分得到了很好的分离。
参见图3，在其他实施例中，除了上述实施例所述的之外，分段电场还可以由若干分段电场叠加而形成，如E1＝E0-E2-E3。即采用若干独立的电源DC0-DC3分别连接两个所述电极，然后输出若干电场，通过调节各电场的大小、方向和作用时间，叠加后可达到上述实施例同样的技术效果和目的。
除了上述垂直电泳装置之外，本发明还可以运用于水平电泳装置和管状电泳装置。其中，管状电泳装置的使用是通过琼脂糖或聚丙酰胺凝胶空间网格位阻分离混合物中不同大小的生物大分子，主要用作DNA/RNA和蛋白质样品的分离。使用中，将含有琼脂糖或聚丙酰胺凝胶的胶管固定在管状电泳槽的电极架上，形成上下封闭的两个腔。然后将电泳缓冲液加满电极架上下封闭的腔体内，上腔内含有阴极电极，下腔内含有阳极电极，形成从电极架上腔的阴极电极、管状凝胶、电极架下腔阳极电极和直流电源之间的电流回路。在加入混合的生物大分子品后，开启直流电源。作为阴离子的不同分子大小的生物大分子样品在管状凝胶中向阳极运动，最终达到分离。
参见图8，本发明可以在管状凝胶的载具——玻璃管的内表面设置环状的电极丝(作好防短路措施)，并接通一个或多个电源以实现电场的变化，因技术手段、使用过程与起到功能效果与上述垂直电泳装置类似，故不赘述。
其中，水平电泳装置的功能是通过琼脂糖凝胶空间网格位阻分离生物大分子，主要用作DNA/RNA样品的分离。使用中，将制好的琼脂糖凝胶平置在水平电泳槽的水平样品平台上，水平样品平台的两测端为含电泳槽正负电极的正负极缓冲液池，加入特定的水平电泳缓冲液至浸没琼脂糖凝胶上缘，形成水平电泳槽的阳极电极、琼脂糖凝胶、水平电泳槽阴极电极和直流电源之间的电流回路，在加入混合的生物大分子样品后，开启直流电源。作为阴离子的不同分子大小的生物大分子在琼脂糖凝胶中迁移，最终达到分离。
本发明可以在管状凝胶的载具——水平样品平台的上内表面设置横向的电极丝，并接通一个或多个电源以实现电场的变化，因技术手段、使用过程与起到功能效果与上述垂直电泳装置类似，故不赘述。
上面实施例描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员可依据需要做出调整，在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。

Claims (16)

1.一种电泳控制方法，其特征在于：
将电泳的电场沿物质分离方向划分出若干分段电场；
设置至少一段所述分段电场的大小和/或方向和/或作用时间为可独立控制；
通过改变所述分段电场的大小、方向及作用时间，调整物质分离的速度、方向和部位。
2.根据权利要求1所述的电泳控制方法，其特征在于：所述电场由同一直流电源通过其若干端子分别输出的各分段电场组成。
3.根据权利要求2所述的电泳控制方法，其特征在于：所述若干端子分别提供若干不同的电势，进而产生各分段电场。
4.根据权利要求3所述的电泳控制方法，其特征在于：控制端子之间输出的电势，进而调整分段电场的大小、方向及作用时间。
5.根据权利要求1所述的电泳控制方法，其特征在于：所述电场由若干可独立控制的分段电场叠加而形成。
6.根据权利要求4所述的电泳控制方法，其特征在于：若干直流电源分别输出电势差并形成所述若干分段电场。
7.根据权利要求6所述的电泳控制方法，其特征在于：控制各直流电源所输出的分段电场，调整叠加后分段电场的大小、方向及作用时间。
8.根据权利要求1-4任一所述的电泳控制方法，其特征在于：若需加快或减慢物质的分离速度，则加大或减小所对应的分段电场的大小。
9.根据权利要求1-4任一所述的电泳控制方法，其特征在于：若需改变某分段电场中物质分离的移动方向，则改变某分段电场的电场的方向。
10.根据权利要求1-4任一所述的电泳控制方法，其特征在于：若需控制物质分离的部位，则选择该物质所在的分段电场，和/或改变其电场大小和/或改变电场的方向。
11.一种电泳设备，包括用于放置分离物质的载具，其特征在于：沿载具的物质分离方向设若干电极，所述电极分别连接电源，每两个电极之间形成施加于分离物质的分段电场；电源可改变各电极之间的电势差、方向及时间。
12.根据权利要求11所述的电泳设备，其特征在于：所述电极为电极丝，电极丝设于载具的内表面，所述电极丝垂直于物质分离方向。
13.根据权利要求11或12所述的电泳设备，其特征在于：所述电极分别连接直流电源的若干输出端子，所述输出端子提供不同的电势。
14.根据权利要求11或12所述的电泳设备，其特征在于：若干独立的电源分别连接两个所述电极，并分别形成若干分段电场；所述若干分段电场叠加而形成电场。
15.根据权利要求11-14任一所述的电泳设备，其特征在于：所述电泳设备为垂直电泳装置、管状电泳装置或水平电泳装置。
16.根据权利要求15所述的电泳设备，其特征在于：所述载具为胶板或玻璃管，内部填有凝胶。
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