CN114062469B - 一种提高区带电泳分离效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种提高区带电泳分离效率的方法，建立了区带宽度(w)与电泳温度(T)和电泳时间(t)的方程，揭示精准控制区带宽度提升电泳分离效率的系统方法，包括但不限于低温或超低温区带电泳、同步低温高电场区带电泳、超低温高电场区带电泳、以及超高电场区带电泳方法。该区带扩散方程描述了电泳温度(T)和运行时间(t)对区带扩散的函数模型，阐释了在区带电泳中：温度越高，区带越趋于展宽，分离分辨率越低，反之亦然；电泳运行时间越长，区带越趋于扩散，反之亦然。与现有的区带电泳相比，提出的方法具有分辨率高、分离效率高和速度快等特殊优点。

Description

一种提高区带电泳分离效率的方法
技术领域
本发明属于生物医学分离分析技术领域，具体涉及一种提高区带电泳分离效率的方法。
背景技术
作为最常用的电泳分离模型，区带电泳已广泛用于离子、化合物、蛋白质、核酸、病毒、纳米颗粒和细胞等的分离分析领域[Mikkers,F.,Everaerts,F.M.,Verheggen,T.J.Chromatogr.A.169,11-20,1979.]。区带电泳分离介质多种多样，依据其分离介质或载体不同，分为琼脂糖凝胶区带电泳[S Hjertén.Biochimica.Et.Biophysica.Acta,53,514-517,1961.]、聚丙烯酰胺凝胶区带电泳[Ornstein L.Discelectrophoresis.I.Background and Theory,Annals of the New York Academy ofSciences,121(2),321-349,1964][Davis,Baruch J.Disc Electrophoresis–II.Methodand Application to Human Serum Proteins,Annals of the New York Academy ofSciences,121,404-427,1964]、毛细管区带电泳[Rush,R.S.；Cohen,A.S.；Karger,B.L.Anal.Chem.63,1346-1350,1991.]、毛细管电动色谱[Pappas,T.J.,Gayton-Ely,M.,Holland,L.A.Electrophoresis,26,719-734,2005.]、以及芯片区带电泳[Yeo,L.Y.；Chang,H.C.；Chan,P.；Friend,J.R.Small.7,12-48,2011.]等多种模式。无论哪种分离模式，区带电泳的基本分离原理是
Vi＝μiE (1)
在方程(1)中，Vi,μι和E分别是待分离物质i在电场E的迁移速度、电泳淌度和电场强度。
根据经验，已发明了众多方法来提升区带电泳的效率。例如，利用毛细管电泳来提升传统凝胶电泳的分离效率[Gordon,M.J.,Huang,X.H.,Pentoney,S.L.,Zare,R.N.Electrophoresis.242,224-228,1988.]，设计碳氟化合物液体冷却系统、空气循环冷却器和金属散热模块等物理冷却装置[Rush,R.S.；Cohen,A.S.；Karger,B.L.Anal.Chem.63,1346-1350,1991.][Cifuentes,A.H.；Xu,X.；Kok,W.T.；Poppe,H.J.Chromatogr.A.716,141-156,1995.][Luckey,J.A.；Smith,L.M.Anal.Chem.65,2841-2850,1993.]来提升区带电泳分离效率。这些方法均加速了区带电泳的分离，但其分辨率仍有待提升，并且区带电泳分离效率的提升的机理不清，无法准确预测理论模拟；尤其，区带电泳的设计主要停留在经验层面，缺少精准可控系统性提升区带电泳分离效率的方法。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出一种提高区带电泳分离效率的方法，基于区带电泳的区带扩散模型，建立了区带宽度(w)与电泳温度(T)和电泳时间(t)的方程，揭示了精准控制区带宽度提升电泳分离效率的系统方法，包括但不限于低温或超低温区带电泳、同步低温高电场区带电泳、超低温高电场区带电泳、以及超高电场区带电泳方法，本发明提出的方法具有分辨率高、分离效率高和速度快等特殊优点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种提高区带电泳分离效率的方法，包括以下步骤：
(1)建立区带电泳的区带扩散模型；
(2)基于区带扩散模型，确定区带电泳JHSD仿真模拟方法；
(3)基于区带电泳JHSD仿真模拟，建立高效区带电泳实验方法；
(4)基于区带电泳JHSD仿真模拟，建立高效区带电泳的实验装置；
(5)开展基于JHSD的区带电泳实验，确定可行的提升区带电泳效率的方法。
其中，JHSD为区带电泳焦耳热自散(Joule heat self-dispersion,JHSD。
进一步地，步骤(1)所述区带电泳的区带扩散模型通过理论公式推导得到，该区带电泳的区带扩散模型为：
w2(t)＝a+bTt (12)
方程(12)中，w(t)为色谱峰宽，T为电泳温度，t为电泳运行时间，a、b为常数。
区带电泳的区带扩散模型具体推导过程为：
在区带电泳过程中，在给定电泳时间(t)时的条带动态分辨率R(t)可以定义为[Sajjadi,S.H.；Goharshadi,E.K.Ahmadzadeh,H.J.Chromatogr.B.1118,63-69,2019]，
Figure BDA0003361521050000031
其中，xi(t)、σi(t)和wi(t)分别是给定电泳时间(t)时峰i的位置(区带迁移距离)、峰高0.607处的半峰宽，以及基线处的峰宽。在方程(2)中，区带迁移距离可以通过其有效迁移率μeff(使用电泳介质时电渗流影响可忽略)和电场强度E来描述[Weiss,G.H.；Sokoloff,H.；Zakharov,S.F.；Chrambach,A.Electrophoresis.17,1325-1332,1996.]，
x(t)＝μeffEt (3)
在给定电泳时间下，区带的扩散定义为[Krawczyk,M.J.；Dulak,J.；Pasciak,P.；Kulakowski,K.Electrophoresis.25,785-789,2004.]，
Figure BDA0003361521050000032
其中，σ0和σ分别是初始上样(t0)时和给定时间(t)时区带的方差，Deff是有效扩散系数。在方程(4)中，物质区带的扩散取决于多种因素，比如：自由扩散、焦耳热、溶液粘度、温度梯度、样品条带和背景缓冲液之间的电荷密度差异以及电导率差异[Weiss,G.H.；Sokoloff,H.；Zakharov,S.F.；Chrambach,A.Electrophoresis.17,1325-1332,1996.]。通过精确控制温度、进行合适的样品预处理和使用匹配的背景缓冲液，可以将以上后三个因素忽略[Yarmola,E.；Calabrese,P.P.；Chrambach,A.；Weiss,G.H.J.Phys.Chem.B.101,2381-2387,1997.]，则有效扩散系数Deff可用扩散系数D代替，如下，
Figure BDA0003361521050000033
其中，κ是玻尔兹曼常数，η是溶液粘度，T是绝对温度，rH是物质分子的水化半径。如果将物质分子视为球状，则其迁移率表示为[Klepárník,K.；Bocek,P.J.Chromatogr.A.569,3-42,1991.]，
Figure BDA0003361521050000034
其中，z和e分别是该分子的离子价态和带电荷数。由此，结合方程(5)和方程(6)，得出该分子在一定溶液温度下的水化半径为，
Figure BDA0003361521050000035
根据区带宽度(色谱峰宽w(t))的定义[Ettre,L.S.Pure Appl.Chem.65,819–872,1993.]，结合方程(5),得到,
Figure BDA0003361521050000036
将方程(5)和方程(7)代入公式(8),得出,
Figure BDA0003361521050000041
在方程(9)中，在初始上样时的初始区带方差σ0可设置为常数，从而得到如下常数，
Figure BDA0003361521050000042
对于给定pH值的电泳缓冲液，给定物质的迁移率μ和价态z是恒定的，即得到如下常数，
Figure BDA0003361521050000043
将方程(10)和(11)代入方程(9)，即得出区带电泳的区带扩散模型，
w2(t)＝a+bTt (12)
该区带扩散方程(12)描述了电泳温度(T)和运行时间(t)对区带扩散的函数模型，阐释了在区带电泳中：温度越高，区带越趋于展宽，分离分辨率越低，反之亦然；电泳运行时间越长，区带越趋于扩散，反之亦然。
进一步地，步骤(2)基于区带扩散模型，在区带电泳分离时，加强电泳焦耳热散热，使用高电场加速电泳分离，实现高效区带电泳，该区带扩散模型适用于包括但不限于：低温或超低温区带电泳、同步低温高电场区带电泳、超低温高电场区带电泳、以及超高电场区带电泳方法。
进一步地，区带电泳JHSD仿真模拟方法包括：区带电泳散热物理模型建立、模式蛋白区带电泳的仿真模拟。
进一步地，通过仿真模拟获得各种优化的设计参数，包括但不限于分离通道几何尺寸、通道材料导热系数、材料热容量、电极槽热容量、电场强度、溶液参数、模式分析物参数；所述溶液参数包括浓度、pH、电导；所述模式分析物参数包括荷电性、迁移率、浓度分布。
进一步地，芯片中产生的焦耳热和热传递由以下公式计算模拟：
Figure BDA0003361521050000044
其中，Q是凝胶区带电泳芯片中产生的焦耳热，ρ，Cp和u分别是材料的密度、恒压热容和流体流速，
Figure BDA0003361521050000045
是温度梯度，q是由温度梯度引起的热传导。
进一步地，仿真模拟包括但不限于自散热凝胶区带电泳芯片模式蛋白分离的仿真模拟、自散热毛细管区带电泳芯片小分子物质分离的仿真模拟与自散热水平凝胶区带电泳核酸分离的仿真模拟，用介质中物质的传质过程描述待分离组分在通道中的迁移，模拟方程为：
Figure BDA0003361521050000051
其中，ci是物质i的浓度，Di是物质i的扩散系数，μi表示物质i的迁移率，F是法拉第常数，
Figure BDA0003361521050000052
表示沿通道的电位差，
Figure BDA0003361521050000053
是求偏导数符号，zi表示物质i的价态。
进一步地，步骤(3)建立高效区带电泳实验方法包括但不限于：提升散热效果模拟、均匀电泳温度分布、强化电泳电场、提升模式分析物之间迁移率差异、缩短电泳时间。
进一步地，步骤(4)建立高效区带电泳的实验装置，包括但不限于分离通道几何尺寸、通道材料导热系数、材料热容量、电极槽热容量、电场强度、溶液参数(浓度、pH、电导)、模式分析物(如蛋白质)参数(如荷电性、迁移率、浓度分布)，具体采用高导热塑料作为自散热凝胶区带电泳芯片框架，用两块石英玻璃将芯片框架夹紧固定在其中，形成多通道凝胶电泳芯片结构，芯片上下加有电极缓冲液，阳极和阴极缓冲液总体积为凝胶总体积40-50倍，从而形成高焦耳热自散芯片。
进一步地，步骤(5)开展基于JHSD的区带电泳实验，比较JHSD模拟结果与实验结果，反复调整JHSD模型、仿真模拟、实验方法、区带电泳装置，确定可行的提升区带电泳效率的方法，具体包括：散热效果模拟、电泳温度分布验证、模式蛋白分离模拟，以及模式蛋白分离效果验证。
与现有提高区带电泳分离效率的设备和方法相比，本发明具有优点：
1、区带电泳分离效率提升精确的理论设计方法。如前所述，区带电泳分离效率低，其机制尚未完全明确，主要停留在经验层面。本发明首先建立了通过电泳JHSD和电场强度控制的实现高效区带电泳的理论方法。
2、区带电泳分离效率提升高效的仿真模拟方法。这些仿真模拟包括：区带电泳散热物理模型建立、仿真模拟、模式蛋白区带电泳的仿真模拟。通过这些仿真模拟能够快速高效获得各种优化的设计参数。
3、区带电泳分离效率提升简洁的实验方法。包括但不限于提升电泳通道的散热效果、均匀电泳温度分布、强化电泳电场、提升模式分析物之间迁移率差异、缩短电泳时间。
4、区带电泳分离效率提升高效的实验装置，包括但不限于相对于电泳槽较小的分离通道几何尺寸、高效的导热绝缘材料、高材料热容量、较大的电极槽热容量、高电场强度、低背景溶液浓度与电导、增加分析物之间选择性的溶液种类、pH与添加剂。
5、区带电泳模拟结果与实验结果对比修正方法。这种对比修正包括但不限于反复调整JHSD模型、仿真模拟、实验方法、区带电泳装置，获得实际可行的提升区带电泳效率的方法。
6、显著提高区带电泳分离效率。通过JHSD方法，能够使用高压电场电泳，不仅缩短电泳时间，提高分离速度；而且减少区带展宽时间和有效扩散系数，从而有效提升电泳分离效率。
7、方法具有通用性。以上方法能够用于多种类型的区带电泳，包括但不限于琼脂糖区带电泳、聚丙烯酰胺凝胶区带电泳、毛细管区带电泳、芯片区带电泳、毛细管电泳色谱、亲和毛细管电泳。
8、电泳装置简单。通过高导热电泳通道的结构、材料设计、以及电极缓冲液的液体冷却缓冲作用，在电泳过程中进行。
附图说明
图1为自散热凝胶区带电泳芯片(A)与普通凝胶区带电泳芯片(B)的模型示意图，在图1中，自散热凝胶区带电泳芯片(A)采用高导热材料，普通凝胶区带电泳芯片(B)采用一般的低导热树脂材料，如PMMA材料。
图2为自散热毛细管区带电泳芯片(A)与普通毛细管区带电泳芯片(B)的模型示意图，在图2中，自散热毛细管区带电泳芯片(A)中设计有阴极阳极两缓冲液槽，总体积为毛细管通道的50倍及以上，且芯片采用导热材料；而普通毛细管区带电泳芯片(B)中阴极阳极两缓冲液槽总体积稍大于毛细管通道体积，但且芯片为一般低导热树脂材料，如PMMA材料。
图3为自散热水平凝胶区带电泳(A)与普通水平凝胶区带电泳(B)的模型示意图，在图3中：自散热水平凝胶区带电泳(A)设计有高导热材质隔离脊均匀分布于凝胶盒中，形成若干条凝胶电泳通道；普通水平凝胶区带电泳(B)中为整块凝胶中包含若干电泳通道。
图4为自散热凝胶区带电泳芯片(A)和普通凝胶区带芯片(B)中温度分布的仿真模拟图，在图4中：区带电泳运行600秒时，自散热凝胶区带电泳芯片(A)和普通凝胶电泳区带电泳芯片(B)中温度的二维分布模拟图。
图5为自散热毛细管区带电泳芯片(A)与普通毛细管区带电泳芯片(B)中温度分布的仿真模拟图，在图5中：区带电泳运行180秒时，自散热毛细管区带电泳芯片(A)和普通毛细管区带电泳芯片(B)中温度的二维分布模拟图。
图6为自散热水平凝胶区带电泳(A)与普通水平凝胶区带电泳(B)中温度分布的仿真模拟图，在图6中：区带电泳运行60分钟时，自散热水平凝胶区带电泳(A)和普通水平凝胶区带电泳(B)中温度的二维分布模拟图。
图7为自散热凝胶区带电泳芯片(A)与普通凝胶区带电泳芯片(B)的模型蛋白(Hb和Mb)的分离仿真模拟结果对比图，在图7中：区带电泳运行600秒时，自散热凝胶区带电泳芯片(A)和普通凝胶区带电泳芯片(B)中蛋白Hb和Mb的仿真模拟的分离结果。
图8为毛细管区带电泳芯片小分子物质(ani和pyr)分离的仿真模拟结果图，在图8中：区带电泳运行180秒时，自散热毛细管区带电泳芯片(A)和普通毛细管区带电泳芯片(B)中小分子ani和pyr的仿真模拟的分离结果。
图9为水平凝胶区带电泳的核酸(DNA1和DNA2)分离仿真模拟结果图，在图9中：区带电泳运行60分钟时，自散热水平凝胶区带电泳(A)和普通水平凝胶区带电泳(B)中核酸DNA1和DNA2的仿真模拟分离结果。
图10为自散热凝胶区带电泳芯片(A)和普通凝胶区带芯片(B)实验中温度分布的红外成像对比图；自散热凝胶区带电泳芯片(C)和普通凝胶区带芯片(D)中纵横温度分布的实测温度对比图；自散热凝胶区带电泳芯片(E)和普通凝胶区带芯片(F)中模式蛋白(Hb和Mb)实际分离电泳图谱的对比图，在图10中：实验测量电泳时自散热凝胶区带电泳芯片(A)和普通凝胶区带电泳芯片(B)表面温度二维分布；实验测量电泳时自散热凝胶区带电泳芯片(C)和普通凝胶区带电泳芯片(D)的凝胶通道纵向和横向的温度分布曲线；在50V/cm电场下，电泳运行时间600秒，分别在自散热凝胶区带电泳芯片(E)和普通凝胶区带电泳芯片(F)中分离蛋白Hb和Mb的实验结果。
图11为自散热凝胶区带电泳芯片中模式蛋白(Hb和Mb)在不同电泳时间的成像(A)，对应的电泳-色谱转化图(B)，区带宽带与时间的实验关系图(C)，Hb与Mb之间的分辨率随时间的实验结果，在图11中：实验测量电泳时自散热GE芯片中Hb和Mb在10分钟内每隔2分钟的记录图片动态分离效果数据(A)和转化后的峰图(B)；得到的Hb和Mb区带宽度随电泳时间的变化(C)，以及模式蛋白Hb和Mb之间的分辨率随电泳时间的变化(D)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。这些实施例包括但不限于自散热凝胶区带电泳、自散热毛细管区带电泳与自散热水平凝胶区带电泳。
实施例1
自散热凝胶区带电泳示意图，根据方程(12)，设计一凝胶区带电泳芯片对比模型，如图1所示，自散热凝胶区带电泳芯片模型(1A)具有高导热率；而普通凝胶区带电泳芯片(1B)导热率低，两者相差约50倍。芯片上下为电极缓冲液储液槽，共可容纳为凝胶体积40倍左右的缓冲溶液。
实施例2
自散热毛细管区带电泳示意图，根据方程(12)，设计一毛细管区带电泳芯片对比模型，如图2所示，在自散热毛细管区带电泳芯片模型(2A)中，阴极和阳极缓冲液槽总体积为毛细管通道体积的50倍及以上，且芯片材质具有高导热率；而普通毛细管区带电泳芯片(2B)缓冲液槽总体积稍大于毛细管通道体积，且为普通低导热树脂芯片。
实施例3
自散热水平凝胶区带电泳示意图，根据方程(12)，设计一水平凝胶区带电泳地板模型，如图3所示，自散热的水平凝胶区带电泳模型(3A)中，凝胶由高导热材质隔离脊隔开形成若干凝胶电泳通道，浸入电极缓冲液后，通道上层覆盖有导热油控制水分挥发；而普通水平凝胶区带电泳(3B)为整块凝胶，其中包含若干电泳通道，凝胶浸入缓冲液后电泳槽加盖封闭。
结合以上区带电泳实施例，开展以下区带电泳焦耳热的仿真模拟。这些仿真模拟包括但不限于自散热凝胶区带电泳芯片温度分布的仿真模拟、自散热毛细管区带电泳芯片温度分布的仿真模拟与自散热水平凝胶区带电泳温度分布的仿真模拟。
焦耳热仿真模拟1：自散热凝胶区带电泳芯片温度分布的仿真模拟。
在图1凝胶区带电泳芯片的上下两端加恒压电场(50V/cm)电泳10分钟后，芯片中产生的焦耳热和热传递由以下传热经验公式计算模拟，
Figure BDA0003361521050000081
其中，Q是凝胶区带电泳芯片中产生的焦耳热，ρ，Cp和u分别是材料的密度、恒压热容和流体流速，
Figure BDA0003361521050000091
是温度梯度，q是由温度梯度引起的热传导，等于
Figure BDA0003361521050000092
κ为热导率。在此，凝胶的流体流速为零，而芯片的上下两侧分别与阴极和阳极缓冲液相连接，缓冲液比通道中的凝胶具有更大的体积和更高的比热容。从而得到图4中自散热凝胶区带电泳芯片(4A)和普通凝胶区带电泳芯片(4B)中温度的二维分布图。以上结果对比显示出，自散热凝胶区带电泳芯片模型在高电压下电泳时，可有效进行焦耳热自散，使电泳时芯片温度保持稳定且分布均匀；而普通芯片电泳时，芯片温度剧烈上升且产生较大的温度异质性。
焦耳热仿真模拟2：自散热毛细管区带电泳芯片温度分布的仿真模拟。
在图2中毛细管两端施加200V/cm恒压电场，电泳180s后，同上根据热传递计算模拟，得到图5自散热毛细管区带电泳芯片(5A)和普通毛细管区带电泳芯片(5B)中温度的二维分布图。以上结果对比显示出，自散热毛细管区带电泳芯片在高电压下电泳时，可有效进行焦耳热自散，使电泳时芯片和毛细管中温度保持稳定且分布均匀；而在普通毛细管区带电泳芯片电泳时，以毛细管为中心热量辐射效应明显。
焦耳热仿真模拟3：自散热水平凝胶区带电泳温度分布的仿真模拟。
在图3中水平凝胶左右两端施加10V/cm恒压电场，电泳60分钟后，同上根据热传递计算模拟，得到图6自散热水平凝胶区带电泳(6A)和普通水平凝胶区带电泳(6B)中温度的二维分布图。以上结果对比显示出，自散热水平凝胶区带电泳产生的焦耳热能够自发扩散，使凝胶温度保持稳定且较均匀的分布；但普通水平凝胶区带电泳产热大、散热慢导致整体凝胶温度较高，分布不匀。
结合以上区带电泳实施例，开展以下区带电泳物质分离的仿真模拟。这些仿真模拟包括但不限于自散热凝胶区带电泳芯片模式蛋白分离的仿真模拟、自散热毛细管区带电泳芯片小分子物质分离的仿真模拟与自散热水平凝胶区带电泳核酸分离的仿真模拟。
用介质中物质的传质过程描述待分离组分在通道中的迁移，模拟方程如下，
Figure BDA0003361521050000093
其中，ci是物质i的浓度，Di是物质i的扩散系数，μi表示物质i的迁移率，F是法拉第常数，
Figure BDA0003361521050000094
表示沿通道的电位差。在电泳开始时，加载的分析物样品被设置为单个脉冲变量，脉冲函数的详细参数是从相关实验数据中得来。
蛋白分离仿真模拟1：自散热凝胶区带电泳芯片用于蛋白分离的仿真模拟
在图7的凝胶区带电泳芯片蛋白分离的模拟中，模式蛋白Hb和Mb电泳分离10分钟。在自散热凝胶区带电泳芯片(7A)中，两蛋白得到基本分离，峰宽较窄；而在普通凝胶区带电泳芯片(7B)中，两蛋白则没有完全分离，且峰展宽明显。
化合物分离仿真模拟2：自散热毛细管区带电泳分离化合物的仿真模拟
在图8的毛细管区带电泳芯片中，模式化合物ani和pyr电泳分离3分钟。在自散热毛细管区带电泳中，化合物分离很好，峰宽较窄；而在普通的毛细管区带电泳芯片中，化合物之间分离很差，峰宽较宽。
核酸分离的仿真模拟3：自散热水平凝胶区带电泳分离核酸的仿真模拟
在图9的水平凝胶区带电泳中，核酸DNA1和DNA2电泳分离60分钟。模式DNA1和DNA2在自散热水平凝胶区带电泳中得到很好分离，其峰宽较窄；而在普通的水平凝胶区带电泳芯片中，DNA1与DNA2之间分离很差，峰宽较宽。
结合自散热凝胶区带电泳芯片，开展蛋白分离的实验验证。这些电泳分离的对象包括但不限于离子、化合物、蛋白质、核酸、病毒、细胞器和细胞。
采用高导热塑料作为自散热凝胶区带电泳芯片框架，再用两块石英玻璃将芯片框架夹紧固定在其中，形成多通道凝胶电泳芯片结构。芯片上下加有电极缓冲液(阳极和阴极缓冲液总体积约为凝胶总体积40倍)，从而形成高焦耳热自散芯片。而普通芯片则采用聚甲基丙烯酸甲酯高分子树脂材料，为低焦耳热自散模型，作为对比。在芯片的上下两端加恒压电场(50V/cm)电泳10分钟后，用红外热成像仪测量芯片表面温度，结果如图10所示，两芯片的温度分布与模拟结果基本一致。
在等同条件下，对模式蛋白Hb和Mb进行电泳分离，结果显示在自散热凝胶区带电泳芯片模型中(10E)，两模式蛋白得到基本分离，峰宽较窄，且各通道分离效果一致；而在普通凝胶区带电泳芯片中(10F)，两模式蛋白区带展宽明显，分离效果差，且各通道精密度差，与模拟结果基本吻合。在电泳分离的动态分离实验中(图11)，即使在温度控制较好的热自散凝胶区带电泳芯片中，随着电泳时间的增加，模式蛋白区带仍然逐渐展宽，对分辨率产生一定影响，与模拟结果一致。
综上所述，分别通过计算模拟、模式蛋白分离试验验证了自散热型区带凝胶电泳芯片的高效性，即验证了通过控制电泳温度和电泳时间提高凝胶区带电泳分离效率的可行性，也进一步验证了基于方程(12)的理论方法、仿真设计方法、区带电泳装置设计方法的可行性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）建立区带电泳的区带扩散模型；
（2）基于区带扩散模型，确定区带电泳JHSD仿真模拟方法；
（3）基于区带电泳JHSD仿真模拟，建立高效区带电泳实验方法；
（4）基于区带电泳JHSD仿真模拟，建立高效区带电泳的实验装置；
（5）开展基于JHSD的区带电泳实验，确定可行的提升区带电泳效率的方法；
步骤（1）所述区带电泳的区带扩散模型通过理论公式推导得到，该区带电泳的区带扩散模型为：
Figure 1
(12)
方程（12）中，w(t)为色谱峰宽，T为电泳温度，t为电泳运行时间，a、b为常数；
步骤（2）基于区带扩散模型，在区带电泳分离时，加强电泳焦耳热散热，使用高电场加速电泳分离，实现高效区带电泳；
区带电泳JHSD仿真模拟方法包括：区带电泳散热物理模型建立、模式蛋白区带电泳的仿真模拟；
步骤（4）中，高效区带电泳的实验装置采用高导热塑料作为自散热凝胶区带电泳芯片框架。
2.根据权利要求1所述的一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，该区带扩散模型适用于：低温或超低温区带电泳、同步低温高电场区带电泳、超低温高电场区带电泳、以及超高电场区带电泳方法。
3.根据权利要求1所述的一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，通过仿真模拟获得各种优化的设计参数，包括分离通道几何尺寸、通道材料导热系数、材料热容量、电极槽热容量、电场强度、溶液参数、模式分析物参数；
所述溶液参数包括浓度、pH、电导；所述模式分析物参数包括荷电性、迁移率、浓度分布。
4.根据权利要求1所述的一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，芯片中产生的焦耳热和热传递由以下公式计算模拟：
Figure 582211DEST_PATH_IMAGE002
(13)
其中，Q是凝胶区带电泳芯片中产生的焦耳热，ρ，Cp和u分别是材料的密度、恒压热容和流体流速，∇T是温度梯度，q是由温度梯度引起的热传导。
5.根据权利要求1所述的一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，仿真模拟包括自散热凝胶区带电泳芯片模式蛋白分离的仿真模拟，
还可以是，自散热毛细管区带电泳芯片小分子物质分离的仿真模拟与自散热水平凝胶区带电泳核酸分离的仿真模拟，用介质中物质的传质过程描述待分离组分在通道中的迁移，模拟方程为：
Figure 65757DEST_PATH_IMAGE003
(14)
其中，ci是物质i的浓度，Di是物质i的扩散系数，μi表示物质i的迁移率，F是法拉第常数，∇ϕ表示沿通道的电位差，
Figure 29165DEST_PATH_IMAGE004
是求偏导数符号，
Figure 702723DEST_PATH_IMAGE005
表示物质i的价态。
6.根据权利要求1所述的一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，步骤（3）建立高效区带电泳实验方法包括：提升散热效果模拟、均匀电泳温度分布、强化电泳电场、提升模式分析物之间迁移率差异、缩短电泳时间。
7.根据权利要求1所述的一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，步骤（4）中，建立高效区带电泳的实验装置，具体采用两块石英玻璃将芯片框架夹紧固定在其中，形成多通道凝胶电泳芯片结构，芯片上下加有电极缓冲液，阳极和阴极缓冲液总体积为凝胶总体积40-50倍，从而形成高焦耳热自散芯片。
8.根据权利要求1所述的一种提高区带电泳分离效率的方法，其特征在于，步骤（5）开展基于JHSD的区带电泳实验，比较JHSD模拟结果与实验结果，调整JHSD模型、仿真模拟、实验方法、区带电泳装置，确定可行的提升区带电泳效率的方法，具体包括：散热效果模拟、电泳温度分布验证、模式蛋白分离模拟，以及模式蛋白分离效果验证。
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