近日，浙江大學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熒光檢測的高速毛細管電泳分析儀，該成果以“A Low-Cost Palmtop High-Speed Capillary Electrophoresis Bioanalyzer with Laser Induced Fluorescence Detection”為題發(fā)表在學術期刊“SCIENTIFIC REPORTS”上，并得到separationNOW.com網(wǎng)站的亮點報道。

掌上高速毛細管電泳生化分析儀外觀

　　高速毛細管電泳(High-speed capillary electrophoresis, HSCE)技術自1991年被提出以來，因其快速、高效又耗樣量少的特點，在分析化學領域得到快速發(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，但內部卻集成了缺口管陣列自發(fā)進樣模塊、毛細管電泳模塊、正交型激光誘導熒光檢測模塊、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化理解和前期基礎研究的成果對儀器進行最大程度的簡約化系統(tǒng)設計，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科領域內低成本的商品化元器件構建儀器系統(tǒng)，達到簡化系統(tǒng)結構、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到與常規(guī)分析系統(tǒng)相當?shù)乃健?p>　　該研究組之前發(fā)展的具有自主知識產(chǎn)權的缺口管陣列自動進樣技術、皮升級平移自發(fā)進樣技術、斜45°檢測正交型激光誘導熒光檢測技術等，為微型化HSCE分析儀的研制提供了堅實的基礎。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，即可構建一個自動化的缺口管陣列自動進樣系統(tǒng)，體積僅為傳統(tǒng)平移臺系統(tǒng)的百分之一，其移動距離可達到17 mm，定位精度達到10 μm，而其成本僅為20元。

　　在激光誘導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)激光誘導熒光檢測器相媲美。此外，通過采用自主設計和加工的整體型光路框架可將激光光源、激光聚焦透鏡、毛細管支架與對準裝置、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。

　　在毛細管電泳分離部分，利用缺口管進樣系統(tǒng)和平移自發(fā)進樣方法可實現(xiàn)90 pL的微體積進樣，即不需采用昂貴和加工復雜的電泳芯片，只采用普通的短毛細管即可完成高速毛細管電泳分離操作。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。

掌上高速毛細管電泳生化分析儀內部結構照片

　　分離模式多樣化，儀器應用尤可期

　　該掌上HSCE分析儀以3.8 cm的毛細管作為分離通道，僅用7秒的時間即可完成3種氨基酸的電泳分離，在如此短的時間內不會形成明顯的焦耳熱效應，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)的膠束電動毛細管色譜快速分離，還實現(xiàn)了5 個DNA片段、3個蛋白質的毛細管凝膠電泳分離。該儀器還被應用于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，也可以通過藍牙模塊無線發(fā)送到手機或者平板電腦上進行實時監(jiān)測。

掌上高速毛細管電泳分析儀在線分離結果照片

　　縱觀當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更多新的應用領域：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家庭的敲門磚，進而實現(xiàn)個體化健康管理和疾病預防;電池供電超長待機，這是一款行走的HSCE，借此進行床旁檢測、傳染病監(jiān)控等指日可待。

　　該論文的第一作者為浙江大學化學系微分析系統(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化學系微分析系統(tǒng)研究所方群教授。特別感謝國家自然科學基金(21435004，21227007和21027008等)對該項工作的支持!

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