近日,浙江大學(xué)方群教授研究組研制出一臺可完全手持并獨立工作的高速毛細(xì)管電泳分析儀,這是迄今為止國際上尺寸最小的基于激光誘導(dǎo)熒光檢測的高速毛細(xì)管電泳分析儀,該成果以“A Low-Cost Palmtop High-Speed Capillary Electrophoresis Bioanalyzer with Laser Induced Fluorescence Detection”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊“SCIENTIFIC REPORTS”上,并得到separationNOW.com網(wǎng)站的亮點報道。
掌上高速毛細(xì)管電泳生化分析儀外觀
高速毛細(xì)管電泳(High-speed capillary electrophoresis, HSCE)技術(shù)自1991年被提出以來,因其快速、高效又耗樣量少的特點,在分析化學(xué)領(lǐng)域得到快速發(fā)展。近年,即時檢測(Point-of-Care Testing, POCT)、環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場勘查和空間探測等領(lǐng)域的發(fā)展對分析儀器的微型化和自動化水平提出了更高的要求,借助于微流控技術(shù)的發(fā)展、電子元件的集成,小型化也成為HSCE系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。
麻雀雖小五臟全,極簡策略顯神通
這款掌上HSCE分析儀整體尺寸僅為90 mm×75 mm×77 mm(長×寬×高),重300 g,成本只有約3500元。體積雖小,但內(nèi)部卻集成了缺口管陣列自發(fā)進(jìn)樣模塊、毛細(xì)管電泳模塊、正交型激光誘導(dǎo)熒光檢測模塊、高電壓模塊及電子電路控制模塊這五大部分。在該儀器研制過程中,采用了“極簡微型化”的策略,即基于對儀器分析原理的本質(zhì)化理解和前期基礎(chǔ)研究的成果對儀器進(jìn)行最大程度的簡約化系統(tǒng)設(shè)計,保留核心功能,刪減暫不必要的次要功能,同時充分借用其他學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)低成本的商品化元器件構(gòu)建儀器系統(tǒng),達(dá)到簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、縮小儀器體積、大幅降低儀器成本的目的,同時在分析性能上仍可達(dá)到與常規(guī)分析系統(tǒng)相當(dāng)?shù)乃健?p> 該研究組之前發(fā)展的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的缺口管陣列自動進(jìn)樣技術(shù)、皮升級平移自發(fā)進(jìn)樣技術(shù)、斜45°檢測正交型激光誘導(dǎo)熒光檢測技術(shù)等,為微型化HSCE分析儀的研制提供了堅實的基礎(chǔ)。而極簡微型化策略和低成本元器件的采用,以及對儀器電子電路的最大程度的集成與優(yōu)化共同促進(jìn)了這款微型化儀器的出臺。利用在淘寶網(wǎng)上購買的數(shù)碼相機自動對焦模塊中使用的微型平移臺,以及200 μL離心管,即可構(gòu)建一個自動化的缺口管陣列自動進(jìn)樣系統(tǒng),體積僅為傳統(tǒng)平移臺系統(tǒng)的百分之一,其移動距離可達(dá)到17 mm,定位精度達(dá)到10 μm,而其成本僅為20元。
在激光誘導(dǎo)熒光檢測模塊研制過程中,雖然遵從極簡微型化策略而使用了小體積的405 nm激光二極管光源、光電二極管檢測器和聚焦透鏡,但通過采用獨特的斜45°正交型光路以及對系統(tǒng)的深入優(yōu)化和挖掘潛力,仍能保留較高的儀器檢測性能,在S/N=3的條件下,對熒光素納的檢出限達(dá)到1.02×10-9 M,足以與部分使用光電倍增管的常規(guī)激光誘導(dǎo)熒光檢測器相媲美。此外,通過采用自主設(shè)計和加工的整體型光路框架可將激光光源、激光聚焦透鏡、毛細(xì)管支架與對準(zhǔn)裝置、熒光收集透鏡、熒光濾光片、光電檢測器等元件集成于一體,使得整個檢測模塊的體積僅為44 mm×42 mm×40 mm。
在毛細(xì)管電泳分離部分,利用缺口管進(jìn)樣系統(tǒng)和平移自發(fā)進(jìn)樣方法可實現(xiàn)90 pL的微體積進(jìn)樣,即不需采用昂貴和加工復(fù)雜的電泳芯片,只采用普通的短毛細(xì)管即可完成高速毛細(xì)管電泳分離操作。同時,利用微型化的高電壓模塊(22 mm×22 mm×22 mm),可提供0 至 - 6000 V 的電泳電壓。
熟悉分析儀器研制的人都知道,要實現(xiàn)分析儀器的微型化,儀器的電子控制系統(tǒng)是關(guān)鍵難點之一,電子控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)熒光信號的實時采集和處理、圖譜的實時顯示及數(shù)據(jù)的保存。更為重要的是,要實現(xiàn)真正的掌上型應(yīng)用,整個系統(tǒng)需要由小體積的電池供電,而分析儀中的激光二極管、微型平移臺和電泳高壓模塊對電池來說均是耗電的大戶。因此,系統(tǒng)除了選用超低功耗嵌入式微控制器實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的集成化外,在降低功耗方面還做了很多努力,最終成功實現(xiàn)了儀器的電池供電,單塊容量為1150 mA的鋰電池可提供10小時以上的連續(xù)工作時間。
掌上高速毛細(xì)管電泳生化分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片
分離模式多樣化,儀器應(yīng)用尤可期
該掌上HSCE分析儀以3.8 cm的毛細(xì)管作為分離通道,僅用7秒的時間即可完成3種氨基酸的電泳分離,在如此短的時間內(nèi)不會形成明顯的焦耳熱效應(yīng),電泳分離可獲得約1 μm 塔板高度的高分離效率。這臺掌上HSCE不僅適用于氨基酸的毛細(xì)管區(qū)帶電泳分離,也實現(xiàn)了手性氨基酸(D、L-亮氨酸和D、L-天冬氨酸)的膠束電動毛細(xì)管色譜快速分離,還實現(xiàn)了5 個DNA片段、3個蛋白質(zhì)的毛細(xì)管凝膠電泳分離。該儀器還被應(yīng)用于KRAS原癌基因診斷中的PCR產(chǎn)物和酶切產(chǎn)物實際樣品的分析。電泳分離圖譜直接顯示在儀器外殼上的液晶顯示屏上,并同步保存在MicroSD數(shù)據(jù)存儲卡上,也可以通過藍(lán)牙模塊無線發(fā)送到手機或者平板電腦上進(jìn)行實時監(jiān)測。
掌上高速毛細(xì)管電泳分析儀在線分離結(jié)果照片
縱觀當(dāng)下的需求和這款掌上HSCE分析儀的性能特點,該儀器作為一個起點,將有助于開拓HSCE更多新的應(yīng)用領(lǐng)域:幾分鐘的DNA片段分離有望取代繁瑣耗時的平板凝膠電泳,在廣大生化實驗室中得到普及;用價廉易得的低成本毛細(xì)管取代電泳芯片,自動化的操作和四按鍵的便捷控制成為走進(jìn)家庭的敲門磚,進(jìn)而實現(xiàn)個體化健康管理和疾病預(yù)防;電池供電超長待機,這是一款行走的HSCE,借此進(jìn)行床旁檢測、傳染病監(jiān)控等指日可待。
該論文的第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系微分析系統(tǒng)研究所潘建章副研究員、方盼博士和方曉霞博士,通訊作者為浙江大學(xué)化學(xué)系微分析系統(tǒng)研究所方群教授。特別感謝國家自然科學(xué)基金(21435004,21227007和21027008等)對該項工作的支持!
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