1. 概述
与传统的单一分离模式相比,微流控芯片电泳分离技术至少具有下述几方面的特点:
(1)它通常作为微流控芯片系统众多功能单元中的一个单元存在;
(2)它的载体材料丰富,有石英、玻璃、硅、和各种聚合物;
(3)它的各种分离式易于实现,过程控制简单;
(4)它可和其他操作单元灵活组合、规模集成,应用范围大幅度扩展。
发展至今,几乎所有的电泳分离模式和很大一部分色谱分离模式都已在芯片上实现,包括膜分离在内的其他各种分离单元也在芯片上出现。
2. 电泳分离的基本问题
(1)电泳的谱带迁移
电泳是电介质中带电粒子在电场作用下以不同的速度定向迁移的现象。
(2)电泳的谱带展宽
影响谱带展宽的因素有两类:一类是一般因素,包括柱内的扩散、自热、吸附和柱外的进样区带长度、检测窗口宽度等。就一般因为而言,芯片电泳和毛细管电泳没有本质的差别,可以借鉴相关论著的阐述;另一类是特殊因素,指的是芯片上的弯道效应和不同芯片材料的不同吸附。
3、芯片电泳分离常见模式
(1) 一维芯片电泳
自由溶液区带芯片电泳
自由溶液区带芯片电泳是在开管通道中直接利用物质的质荷比差异实现分享的一种电泳模式,它也是各种电泳分离中最基本的一种,影响因素相对较少,容易在芯片上实现
(2)介质筛分芯片电泳
筛分芯片电泳是利用生物大分子和筛分介质(高分子溶胶或凝胶)之间的动态交缠作用,把被分离物质按照分子质量大小分开的一种技术,它是传统的平板电泳和毛细管中研究最多,应用最广的一种电泳分离模式。
(3)电色谱
芯片电色谱有三种模式:
A. 开管电色谱:是直接在芯片微通道表面制备固定相,不需要固定相填充或聚合,相对简单,节省了很多处理步骤。
B. 填充电色谱:其制作需要在芯片的微通道内装填固定相颗粒。
C, 整体电色谱:将丙烯酸酯之类的单体、交联剂、制孔剂和光引发剂等混合后充入微通道,在紫外光的照射下引发丙烯酸酯类单体和交联剂聚全成型,反应完成后将未聚合的单体和小分子洗掉,得到整体柱。
(4)胶来电动芯片色谱(MEKC)
表面活性剂加到缓冲液中,当浓度足够大时,其分会聚焦在一起形成一个球体,称之为胶束(micelle).
在含有胶束的缓冲溶液中实际上存在着类似于色谱的两相,一是流动的水相,另一相是起到固定相作用的胶束相,溶质在这两相之间分配,由其在胶束中不同的保留能力而产生不同的保留值。
A. 芯片梯度洗脱电色谱
B. 同步循环胶束电动色谱
同步循环胶束电动色谱是一种环行分离模式,它可以在一首尾相连的分离通道内,通过发换电压,实现多次循环分离,从而增加分离距离,提高分离效率。
(5)芯片等电聚焦电泳
目前芯片等电聚焦的研究相对较少,主要可能是因为在通道相对较短的芯片上,等电聚焦的分离度难以提高,如果用很长的分离通道,则聚焦时间也相应延长,优势不甚明显,此外聚焦区带的压力推动所需的接口也不容易实现。
(6)芯片自由流电泳
自由流电泳是指在样品随缓冲液连续流动的正交方向加一直流电场,使被分离物质在流动的同时顺电场方向作电迁移,按电泳倘度大小分享,并在流体末端被接取的一种技术。其分离度取决于流体向下流动的速度和电场的大小。
(7)介电电泳
电中性颗粒被放置于非均匀电场下时,会产生诱导极化并与电场E相互作用而产生介电泳动现象。当周围环境的极化率大于颗粒的极化率时,则产生负向介电泳,颗粒向场强最低的区域移动。反之,为正向介电泳,颗粒向场强最高的区域移动。
4、多维芯片电泳
多维分离是指将几种分离原理完全不同的分离方法集成,构建成多维分离系统,并用于对复杂样品分离的一种方法。与一维分离模式相比,多维分离可以极大提高分辨率和峰容量,能够便捷地调整分离选择性,减小峰重叠,提供更多样品信息。其中二维电泳(通常为等电聚焦结合凝胶筛分模式)是目前比较常见的多维分离方法。
(1)胶束电动色谱-自由溶液区带电泳(MEKC-CZE)
前已提及MEKC的分离机理是基于被分离物在SDS胶束中分配平衡,而CZE则是基于被分离物的荷质比。两种分离模式的偶合有可能增加分离过程的峰容量。
(2)开管电色谱-自由溶液区带电泳(OCEC-CZE)
开管电色谱可以将混合物按分配系数分享,自由溶液区带电泳可以将组分按荷质分离,将两种分离模式偶合有可能增加分离过程的峰容量。
(3)等速电泳(ITP)-自由溶液区带电泳(CZE)
作者课题组利用自制的带有紫外检测的微流控工作平台,在石贡芯片上进行等速电泳-自由溶液区带电泳二维分离了两种类黄酮,同单独的区带电泳分离相比,检测限降低了32倍。