一种多维微流控电泳芯片及检测装置,检测方法转让专利
申请号 : CN202010770903.3
文献号 : CN112354570B
文献日 : 2022-02-11
发明人 : 耿利娜 , 邓玉林 , 陈辉 , 全宗良 , 赵小超 , 李永瑞 , 于世永
申请人 : 北京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种多维微流控电泳芯片,所述多维微流控电泳芯片设有电泳分离通道的电泳载台,其特征在于:
至少包括一组缓冲液储液单元(B,BW);
至少包括一组上样/酸碱液储液单元(S,SW);
其中,所述至少一组上样/酸碱液储液单元(S,SW)通过芯片电泳通道连通;
每个缓冲液储液单元通过凝胶电泳通道与等电聚焦通道连通;至少部分凝胶电泳通道和等电聚焦通道的交接处存在过渡段,其特征在于:所述过渡段具有至少一组串联的对称的通道形态。
2.如权利要求1所述的多维微流控电泳芯片,其特征在于,所述等电聚焦通道宽度大于所述凝胶电泳通道宽度。
3.如权利要求1所述的多维微流控电泳芯片,其特征在于,所述等电聚焦通道为弧线形。
4.如权利要求1所述的多维微流控电泳芯片,其特征在于,缓冲液储液单元(BW)具体设置在所述电泳载台外,所述多维微流控电泳芯片(3)还包括毛细管,外置的缓冲液储液单元(BW)通过两个以上的毛细管与设置在电泳载台上的凝胶电泳通道相连。
5.如权利要求 1 所述的多维微流控电泳芯片,其特征在于,以等电聚焦通道为观测起点,所述凝胶电泳通道开始的宽度较窄,然后变宽。
6.如权利要求 1‑5 任意一项所述的多维微流控电泳芯片,其特征在于,所述等电聚焦通道分别与缓冲液储液单元以及上样/酸碱液储液单元相连。
7.如权利要求 1‑2 任意一项所述的多维微流控电泳芯片,其特征在于,所述缓冲液储液单元采用孤立式,每个缓冲液储液单元配制一个电极。
8.如权利要求 1‑2 任意一项所述的多维微流控电泳芯片,其特征在于,所述至少一组上样储液单元和酸碱液储液单元是分离的。
9.一种检测装置,其分别包含权利要求1‑8任意一项限定的多维微流控电泳芯片,并进一步包括数据采集模块(1)、数据解析模块(2)以及高压电源模块(4),所述数据采集模块(1)用于采集待检测物的分离图像;
所述数据解析模块(2)用于对所述数据采集模块(1)采集的分离图像进行图像处理,以获得待检测物的成分信息。
10.一种检测方法,其包括如权利要求9所述的检测装置,电泳和检测过程包括如下步骤:
步骤1,先对多维微流控电泳芯片的电泳通道进行冲洗和前处理;
步骤2,在多维微流控电泳芯片电泳通道内注入凝胶,然后在至少一组缓冲液储液单元(B,BW)施加电压一段时间,完成预电泳;
步骤3,在多维微流控电泳芯片的等电聚焦通道内注入样品与等电聚焦两性电解质的混合物,或者在已预先形成固定化等电聚焦梯度的等电聚焦通道内注入样品;
步骤4,在等电聚焦通道两端的上样/酸碱液储液单元(S,SW)中施加电压进行等电聚焦,等电聚焦完成后停止加电;
步骤5,在凝胶电泳通道两端施加电压将第一维等电聚焦完毕后的样品转移至第二维凝胶电泳通道,然后进行凝胶电泳分离;
步骤6,利用数据采集模块采集芯片电泳分离图像,进行生物样品分析。
说明书 :
一种多维微流控电泳芯片及检测装置,检测方法
技术领域
背景技术
子测序、QPCR、基因芯片、宏基因组和宏转录组的等核酸检测分子生物学技术,存在技术难
度大、容易出现假阳性以及成本高的问题;而在蛋白层面上的基于免疫方法的检测装置,成
本较高,并且能检测的种属受限于所能得到的抗体。
术事实上依然只是一维凝胶电泳技术,在面对细胞、微生物等具有复杂蛋白组分的生命体
时,分离以及分析能力都存在限制。
白质分析用微流控芯片及其在蛋白质分析中的应用,其设计的微流控芯片在“十字交叉”结
构的基础上,进一步增加了包含多个通道的基本单元。再例如,林炳承在专利文献
(CN1779431 A)公开的芯片包括第二个单元,第二单元为蛋白质浓缩后的电泳分离分析。该
芯片的进样通道可以为T字型结构。其它涉及通道整体结构和形态结构调整专利技术还包
括,CN2831115Y,CN1786988A,CN104148123A,CN105092677A,CN104297327A,US2014332382
A1,US8728290 B1等。
Protein Expression Profiling[J].Analytical Chemistry,2007,79(19):7360‑7366.)
首次提及了在两维通道之间加工超细的通道进行连接,产生的阻力以阻止扩散并同时降低
扩散的体积。尽管上述文献中实施的超细通道设计方式在电泳技术领域中并不少见,例如
US2011220499 A1,JP2005233944 A。但是将其设计在两维通道之间以提高蛋白分离能力,
却需要综合考虑等电聚焦通道特性以及凝胶电泳通道特性,使其与电泳领域的一般设计方
式显著区分开。以至于,后续很多多维电泳芯片技术都借鉴参考,例如非专利技术文献2
(West J,Becker M, Tombrink S,et al.Micro Total Analysis Systems:Latest
Achievements[J].Analytical Chemistry,2008,80(12):4403‑4419.)
分不明显的情况。有鉴于此,本申请首先提出设计一种多维微流控电泳芯片,其能够改善蛋
白分离效果不佳的问题。同时提出一种检测系统,其包括上述多维微流控电泳芯片,能够应
用于微生物等生物样品进行分析识别,包括但不仅限于基于蛋白质分离荧光图像进行微生
物等生物样品的检测。进一步,还包括一种检测方法,其使用本申请提出的检测装置,通过
获取高分辨分离图像并借助图像解析技术鉴别单独以及混合微生物。具体分离和分析的技
术实现方式可以参照以下提供的非专利技术文献3‑10:
electrophoresis strategy for simultaneous,label‑free,multi‑protein detection
based on a graphene energy transfer biosensor,Analyst,2014(139),2890‑2895.
protein isoelectric focusing using a photo‑immobilized pH gradient,J.Sep.
Sci.,2014Nov;37(21):3174‑80
Focusing and Blue Gel Electrophoresis‑Coupled Two‑dimensional Microfluidic
Chip Electrophoresis,Chromatographia,Chromatographia,2014(77)1339‑1346
gradient isoelectric focusing and zone electrophoresis integrated two‑
dimensional microfluidic chip electrophoresis for protein separation,
Microchimica Acta,2015,182(13‑14):2321‑2328
predict protein aggregations using two‑dimensional native protein
microfluidic chip electrophoresis,Anal.Methods,2016,8,8306‑8313
label‑free screening of G‑quadruplex active ligands from natural medicine via
a microfluidic chip electrophoresis‑based energy transfer multi‑biosensor
strategy., Analyst.2017,142(22):4257‑4264.
chip integrated electronic biosensors for multiplexed detection, Biosensors
and Bioelectronics,2018,121(15)272‑280
biosensors for simultaneous detection of multiple analytes:A review,
Biosensors and Bioelectronics,2019,126(1)697‑706
发明内容
液储液单元(S,SW);其中,所述上样/酸碱液储液单元S 和SW通过芯片电泳通道连通;每个
缓冲液储液单元通过凝胶电泳通道与等电聚焦通道连通;至少部分凝胶电泳通道和等电聚
焦通道的交接处存在过渡段。
均匀是因为过渡段在深度方向上的不均匀引起的。优选的,所述过渡段至少包括一个通道
宽度逐渐收窄的半圆或者椭圆形结构;优选的,所述过渡段具有至少一组串联的对称的通
道形态。
者其它常见的几何结构的非对称化。
设置在电泳载台上的凝胶电泳通道相连。
集模块(1)用于采集待检测物的分离图像;所述数据解析模块(2)用于对所述数据采集模块
(1)采集的分离图像进行图像处理,以获得待检测物的成分信息。
凝胶电泳的分离通量,进而获得高分辨分离荧光图像。然后借助图像数据分析工具和手段
实现微生物快速鉴别,装置成本低、鉴别效率高。
这主要是因为圆形是周长给定情况下,面积最大的几何结构。本发明技术方案通过局部形
态的调整,可以实现聚集储液能力相较于非专利技术文献1至少百分之20以上的提升。
另一侧产生差距,更加有利于实现蛋白在凝胶电泳通道里的分离迁移顺次进行,进而得到
更高分辨率(更多蛋白谱峰)的分离图谱。
附图说明
具体实施方式
于整合的优势,通过构建多维分离平台可以获得更高的分离能力,进而为得到高分辨分离
图像,实现微生物等生物样品鉴定/检测创造机会。
块4;
段所用的液体;
侧;缓冲液储液单元通过不少于两个通道与等电聚焦通道连通,即缓冲液储液单元B与等电
聚焦通道之间的通道为上凝胶电泳通道,缓冲液储液单元BW与等电聚焦通道之间的通道为
下凝胶电泳通道;
域,通过CCD对荧光倒置显微镜中的分离图像进行采集,也可以通过在在阵列通道或者毛细
管的末端安装阵列光纤进行数据采集。
提高凝胶电泳通道中凝胶电泳的分离通量,进而获得高分辨分离荧光图像。多维微流控电
泳芯片中设有第一维等电聚焦通道和第二维凝胶电泳通道,第二维凝胶电泳通道采用多通
道并行结构,提高芯片电泳的分离通量。
焦通道,其长度、宽度、深度分别为23mm、150um、30um;等电聚焦通道为直线形,缓冲液储液
单元B、缓冲液储液单元BW为直线凹槽,所述凝胶电泳通道相互平行,等电聚焦通道和缓冲
液储液单元B之间为16个平行的上凝胶电泳通道,其常规长度、宽度、深度分别为18mm、
50um、30um;等电聚焦通道和储液单元BW之间为16个平行的下凝胶电泳通道,其常规长度、
宽度、深度分别为32mm、100um、30um。
离玻璃微流控芯片的制作方法,耿利娜,全宗良,侯妮,陈娟,高丽娜,徐建栋,胡定煜,李勤,
邓玉林,北京理工大学学报,2013,33 (4),436‑440)。
构如图4所示,上样/酸碱液储液单元S到上样/酸碱液储液单元SW之间的等电聚焦通道为弧
线形,缓冲液储液单元B为弧线形凹槽,上凝胶电泳通道之间相互平行,缓冲液储液单元BW
位于等电聚焦通道圆心处,缓冲液储液单元BW可以采用弧线形凹槽,也可以采用圆形凹槽;
缓冲液储液单元BW采用弧线形凹槽时,缓冲液储液单元BW的两个以上的下凝胶电泳通道呈
发散式连接到等电聚焦通道;缓冲液储液单元BW采用圆形凹槽时,缓冲液储液单元BW的下
凝胶电泳通道呈发散式连接到等电聚焦通道。
毛细管,如图5所示,外置的缓冲液储液单元BW通过两个以上的毛细管与设置在电泳载台上
的的下凝胶电泳通道相连,下凝胶电泳通道通过毛细管与缓冲液储液单元BW连通。
整块凝胶电泳凹槽后,通过整块凝胶电泳凹槽连通缓冲液储液单元BW,其他部分与实施例1
或实施例2相同。
的任一实施例结构,如图2‑图6部分给出了非专利文献1 中倒置漏斗形的结构放大图。以等
电聚焦通道为观测起点,所述凝胶电泳通道开始的宽度较窄,然后变宽,图中用局部放大图
示出了倒置漏斗结构。本发明的过渡段结构改进可以进一步有效的减轻上样之后样品的浓
度扩散,并且减小了向等电聚焦通道连接的储液单元加负压时对凝胶电泳通道中纤维素凝
胶的吸力,保证上样时凝胶电泳通道清洗过程的顺利进行,提高了电泳分离时,样品的凝胶
电泳的分离通量,有助于得到高分辨的分离图像。
10min,之后用P B S溶解的BSA(或其他涂层物质) 冲洗30min,最后用加有BSA的甲基纤维
素溶液处理15min。每次实验之后先用三蒸水冲洗10min,再用98%H2SO4处理通道。
BSA的纤维素凝胶;
液单元SW的残液;
元B加正电极,缓冲液储液单元BW加负电极,根据分离条带的位置实时调整芯片位置保证分
离条带一直处于荧光诱导显微镜视野之内。实验中利用本发明所述多维微流控电泳芯片对
大肠杆菌全蛋白、枯草芽孢杆菌全蛋白、金黄色葡萄球菌全蛋白进行了分离。
的方法进行特征提取,形成谱图的指纹特征,再采用多元统计技术将多维特征降维至二维。
使用训练集样品按照已知微生物种类信息完成分类训练后,即可测试未知样品。
池配制一个电极,多电极并联。
池配制一个电极,多电极并联。
另有一套酸碱池,与样品池S和SW分离。实施例 10所示的芯片进行电泳时,在样品池S和SW
之间完成上样后,直接在酸碱池加电进行样品等电聚焦,之后再在B和BW池加电完成第二维
凝胶电泳。
这里被概括地使用并且包括直接的和间接的连通、交接。
“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。
定义与以引用方式并入的文件中术语的任何含义或定义矛盾时,应当服从在本发明中赋予
该术语的含义或定义。
施例将被看作说明性的而不是限制性的。将理解的是,通过使用其它和等同内容可以作出
变化和改变而不偏离本发明的精神。因此,明确地预期所有这些变化、改变和等同内容落在
如要求保护的本发明的精神和范围内。