CN101165472B - 一种多通道模式毛细管电泳装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于532nm激光诱导荧光共聚焦检测的多通道模式高效毛细管阵列电泳仪，532nm激发光源发出的连续激光经光学元件聚焦到毛细管的检测窗口上，毛细管阵列由聚四氟乙烯环固定，样品产生的荧光信号由旋转反射镜收集，沿光路到达光电倍增管检测；高速直流电机带动旋转反射镜进行激光扫描，加快了数据采集的速度，并以旋转编码器实现毛细管的位置信号读出及触发数据采集系统进行荧光采集；高压继电器控制电泳高压并实现了电动进样。本发明数据采集速度快、毛细管定位准确，克服了成像式检测中毛细管之间荧光信号相互干扰的缺点，提高了数据的可靠性，同时具有分离速度快、使用灵活、操作安全、造价低廉的优点。

Description

一种多通道模式毛细管电泳装置

技术领域

本发明涉及高效毛细管阵列电泳系统，具体地说是基于532nm激光诱导荧光检测的多通道模式毛细管电泳装置，其为样品分离条件的快速优化、组合不对称催化反应条件高通量筛选等研究领域提供了一种可靠的分析手段。

背景技术

随着组合化学、基因组学与蛋白质组学的发展，对化合物进行分析正面临着前所未有的压力。样品越来越复杂，分析量越来越大，复杂的样品要求较好的分析手段，大量的样品则要求更高的分析通量。高效毛细管电泳(High Performance Capillary Electrophoresis，HPCE)具有分离效率高、分析速度快、样品体积小等优点，在分析化学方面的应用日益广泛，已经成为一种重要的分析工具。但它每次只能分析一种样品，进行高通量样品分析需要将多根毛细管组成阵列，即毛细管阵列电泳(Capillary ArrayElectrophoresis，CAE)。

毛细管阵列电泳因人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)对测序数量跳跃级的需求应运而生，它由Mathies研究小组在1992年首先提出，随后各科研单位根据研究的需要分别研制出了不同的毛细管阵列电泳装置。目前，市场上已经出现了多种商品化的高效阵列毛细管电泳仪，主要分为毛细管凝胶电泳(CGE)和毛细管区带电泳(CZE)，从用途上来看，前者主要用于基因序列分析，而后者除了可用于各种单通道高效毛细管电泳所适用的所有场合外，在一些新的更具挑战性的领域，如蛋白质组学分析、分离与反应条件优化、酶活性测定、组合化学库筛选等，具有更多的优势。但这些商品化阵列毛细管电泳仪主要还是用于DNA序列分析，并且造价太高。

激光诱导荧光(Laser-induced Fluorescence，LIF)因检测灵敏度高而成为阵列毛细管电泳主要的检测方式，常见有扫描式和成像式两种。成像式检测对激光强度要求较高，并且照射到毛细管检测窗口上的激光强度要一致，由于毛细管排列紧密，容易出现相邻毛细管之间荧光信号的相互干扰；扫描式检测对激光强度要求较低，但转动部件的引入导致毛细管的定位比较困难，数据采集速度慢且容易出现偏差。

中国专利(申请号：03133511.X)公开了一种毛细管阵列电泳旋转式激光扫描共聚焦检测仪，用于分离与检测。该专利采用气体激光器作为激发光源，进样方式单一、缺少电泳高压控制系统，同时气体激光器性能不稳定、使用寿命短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于532nm激光诱导荧光共聚焦检测的多通道模式毛细管电泳装置，可以解决现有技术的存在的问题，具有高通量、定位准确、使用灵活、造价低廉的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于532nm激光诱导荧光检测的多通道模式毛细管电泳装置，它主要由半导体激光器、光学元件、高压电源、高压继电器、毛细管、缓冲液池、电极、电流表、双轴微型直流电机、绝对型旋转编码器、译码电路、光电倍增管、数据采集卡、计算机、板及支柱组成.

双轴微型直流电机固定于板中心的定位槽里，板由支柱支撑固定，双轴微型直流电机的一轴通过连轴器与绝对型旋转编码器连接，绝对型旋转编码器与译码电路相连接(绝对型旋转编码器输出的信号传递给译码电路)，译码电路再与计算机线路连接。

毛细管阵列采用圆形对称布局，由刻有1、2、4、8、16、32、64或128等份均匀凹槽的聚四氟乙烯环固定，毛细管的两端分别置于缓冲液池中，其一端由电泳阳极通过继电器与电泳高压电源相接，另一端由电泳阴极经电流表同地相连。

所述双轴微型直流电机的另一轴固定有下端为“V”字形的转子，“V”字形的两平面与水平面的夹角均为45°，其中一平面铣有圆形凹槽，第一反射镜(500nm-650nm)固定于凹槽内，其反射面与水平面呈45°角，且第一反射镜置于圆形对称布局毛细管阵列的中心轴上，中心轴上的第一反射镜可与圆形对称布局的毛细管进行相对旋转，进行激光扫描，第一反射镜的正下方设置有水平放置的第一透镜，第一透镜的正下方固定有与水平面呈45°角的双色镜，双色镜的正下方放置有与水平面呈45°角的第二反射镜，第二反射镜置于半导体激光器的激光光路上。

在双色镜的反射光路上依次设有长通滤波片、第二透镜及光阑，经第二透镜聚焦到光阑上的荧光信号传递给光电倍增管检测，光电倍增管将光信号转变为电信号，经12位数据采集卡A/D转换后，由计算机存储。

所述毛细管的两端分别置于缓冲液池中，其一端置于样品缓冲液池中，另一端置于共用的缓冲废液池中，样品缓冲液池为环形布局，其上有孔，用于放置样品及缓冲溶液离心管，通过可以进行高度调节的支杆支撑，且支杆的下端面可在水平面上移动；缓冲废液池为环形布局，放置于环形样品缓冲液池的中部，第一透镜通过固定环置于缓冲废液池的环形中心；所述固定环的外周设有外螺纹，缓冲废液池的内环加工有内螺纹，固定环与缓冲废液池进行螺纹连接，并可通过螺纹调节其垂直高度。

本发明具有如下优点：

1.高通量样品分析，快速分离条件筛选。本发明有八种可以选择的通道模式，分别为1、2、4、8、16、32、64、128通道，由译码电路上面的拨档开关控制；最高可进行128种样品的同时分析，快速分离条件的筛选。

2.使用灵活、操作安全、造价低廉。本发明可以根据研究需要选择毛细管通道数目，既可采用重力虹吸进样，也可采用电动进样，进样方式灵活，高压继电器可以有效的控制电泳高压，操作安全、造价低廉。

3.数据采集速度快，定位准确，数据可靠。本发明采用微型高速直流电机带动第一反射镜进行激光扫描，加快了数据采集的速度；采用格雷码编码的绝对型旋转编码器获得毛细管的位置信号并触发数据采集卡对其进行荧光信号采集，解决了毛细管的定位问题；同时，激光器、光学元件、光电倍增管、支柱均固定在隔振精密光学平台上，实现了旋转编码器、高速直流电机、第一反射镜、激光束的共轴，“V”字形设计的转子极大地减弱了直流电机工作时的振动，提高了数据的准确、可靠性。

4.采用可输出连续激光的半导体激光器作为激发光源，它具有体积小、性能稳定、寿命长、价格低廉，且功率可调的特点。

5.缓冲废液池为环形布局，与样品缓冲液池的环形布局相对称，减少了毛细管固定时的扭曲张力，便于毛细管的固定与操作。

6.本发明板上设有定位孔，整个装置采用基孔制定位，装置各部件排列紧凑，减弱了直流电机工作时的振动。

总之，本发明一种基于532nm激光诱导荧光共聚焦检测的多通道模式高效毛细管阵列电泳仪中，以体积小、性能稳定、寿命长、价格低廉，且激光功率可调的532nm半导体激光器作为激发光源；毛细管阵列由经精密机械刻有128等份均匀凹槽的聚四氟乙烯环固定；旋转速度可调且旋转方向可变的高速直流电机带动第一反射镜进行激光扫描并加快了数据采集的速度，旋转编码器读出毛细管的位置信号并触发数据采集卡进行荧光信号采集，同时实现了八种可供选择的通道模式，继电器控制电泳高压并实现了电动进样，数显式电流表用于检测装置的总电流，各零配件排列紧凑，特殊设计的第一反射镜转子减弱了高速直流电机工作时的振动，提高了可定位毛细管的数目和准确性。本发明解决了扫描式检测中数据采集速度慢及毛细管的定位问题，克服了成像式检测中毛细管之间荧光信号相互干扰的缺点，提高了数据的可靠性，同时具有定位准确、分离速度快、使用灵活、操作安全、造价低廉的优点，并可以根据研究的需要选择毛细管通道数目，特别适合于高通量样品分析、分离与反应条件优化及组合化学库筛选等研究领域。

附图说明

图1为532nm毛细管阵列电泳装置示意图。

图2为532nm毛细管阵列电泳装置核心部件剖面图。

图3为128通道分离若丹明6G的电泳图。

图4为16通道分离若丹明类混合染料的电泳图。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，一种基于532nm激光诱导荧光检测的多通道模式毛细管电泳装置，它主要由半导体激光器1、光学元件、高压电源10、高压继电器11、毛细管14、缓冲液池、电极12、电流表16、双轴微型直流电机19、第一反射镜5、绝对型旋转编码器17、译码电路22、光电倍增管9、数据采集卡24、计算机23、板25及支柱组成。

双轴微型直流电机19固定于板25的中心，板25由支柱29支撑固定；双轴微型直流电机19的一轴通过连轴器18与绝对型旋转编码器17连接，绝对型旋转编码器17输出的信号传递给译码电路22，译码电路22再与计算机23线路连接。

毛细管14采用圆形对称布局，由刻有均匀凹槽的聚四氟乙烯环20固定，毛细管14的两端分别置于缓冲液池中，其一端由电泳阳极通过继电器11与电泳高压电源10相接，另一端由电泳阴极经电流表16同地相连。

毛细管14阵列的两端分别置于缓冲液池中，其一端置于样品缓冲液池13中，另一端置于共用的缓冲废液池15中，样品缓冲液池13为环形布局，通过可以调节高度的支杆28支撑，支杆28的下端面可在水平面上移动，缓冲废液池15为环形布局，缓冲废液池15放置于环形样品缓冲液池13中部，第一透镜4通过固定环27置于缓冲废液池15的环形中心.固定环27的外周设有外螺纹，缓冲废液池15的内环上加工有内螺纹，固定环27与缓冲废液池15螺纹连接，并可通过螺纹调节其垂直高度.

转子21由有机玻璃棒经精密机械加工做成，上端铣有矩形凹槽且固定在微型高速直流电机19的下轴上，“V”字形的两平面与水平面的夹角均为45°，其中一平面铣有圆形凹槽，第一反射镜5(500nm-650nm)固定于凹槽内，其反射面与水平面呈45°角，且第一反射镜5置于圆形对称布局毛细管14阵列的中心轴上，中心轴上的第一反射镜5可与圆形对称布局的毛细管14阵列进行相对旋转；第一反射镜5的正下方设置有水平放置的第一透镜4，第一透镜4的正下方设置有与水平面呈45°角的双色镜.3，双色镜3的正下方设置有与水平面呈45°角的第二反射镜2，第二反射镜2置于半导体激光器1的光路上。

在双色镜3的反射光路上依次设有长通滤波片6、第二透镜7、光阑8，聚焦到光阑8上的荧光信号传递给光电倍增管9检测，光电倍增管9将荧光信号转变为电信号，经12位数据采集卡24A/D转换后，由计算机23存储。

聚四氟乙烯环20套在铝环26上，铝环26固定在板25下面的定位槽里，聚四氟乙烯环20由精密机械加工而成，其上均匀刻有128等份凹槽，用于固定毛细管阵列14。

样品缓冲液池13设计为环形，其上有孔，用于放置缓冲液及样品离心管。毛细管14阵列共用缓冲废液池15，缓冲废液池15深40mm，可以进行重力虹吸进样，样品缓冲液池13由三个支柱28固定，且可以调节，第一透镜4由固定环27固定且垂直可调。

微型高速直流电机19带动第一反射镜5进行激光扫描，并加快了数据采集的速度；E6CP-AG3C型旋转编码器17读出毛细管14阵列的位置信号，并触发数据采集卡24对该毛细管进行荧光信号采集；半导体激光器1发射的532nm连续激光经第二反射镜2、双色镜3、第一透镜4、第一反射镜5聚焦到毛细管14阵列的检测窗口上，样品产生的荧光由第一反射镜5收集，经第一透镜4变为平行光，双色镜3反射，长通滤波片6滤波，第二透镜7聚焦到光阑8上，并传递给光电倍增管9检测，光电倍增管9将荧光信号转变为电信号，经12位数据采集卡24A/D转换后，由计算机23存储。

以若丹明6G为分析样品验证了128通道毛细管阵列电泳的可行性。采用内径50μm，外径375μm的熔融石英毛细管，总长度为25cm，有效长度为23cm。使用蒸馏水将若丹明6G甲醇母液稀释至1×10^-6mol/L作为分析样品，以含有5％甲醇(v/v)的pH＝10，10mmol/L硼砂溶液为运行缓冲液。将128根上述规格的毛细管阵列沿圆形对称地固定在刻有128等份均匀凹槽的聚四氟乙烯环20上，毛细管阵列两端分别置于缓冲溶液池中，阳极通过高压继电器11与电泳高压电源相连接，阴极经电流表16与地相接。将译码电路22上的拨档开关调至128通道位置，系统控制程序中的通道数目设为128。在10kV分离电压下运行缓冲溶液10min后，由继电器11断开电泳高压，电动进样10s，然后进行电泳分离，结果见图3。其中，X轴为若丹明6G的迁移时间，箭头指向为毛细管阵列的通道数目。

实施例2

采用能够输出532nm连续激光的半导体激光器1作为激发光源，其特征为体积小、性能稳定、寿命长、价格低廉，且激光功率可调。

45度532nm第二反射镜2固定在可调精密光学底座上，便于光路的调节，使激光光束与第一反射镜5同轴，提高了装置的重现性。

双色镜(550nm以下透过，550nm以上反射)3位于第二反射镜2上方，且与水平面夹角为45°，其作用在于透射532nm激光，同时反射样品产生的荧光并传递给光电倍增管9检测.

转子21由精密机械加工做成，一端为“V”结构，两平面与水平面的夹角均为45°，其中一平面铣有圆形凹槽用于固定第二反射镜(500nm～650nm)5，另一端铣有矩形凹槽且固定在微型高速直流电机19的下轴上。这种设计减弱了高速直流电机工作时的振动，提高了数据的准确性。

微型高速直流电机19固定在板25上面的定位槽里，它的旋转速度可以调节，旋转方向可以改变，且具有两个旋转轴，上轴通过连轴器18连接绝对型旋转编码器17，下轴连接转子21，外接稳压电源。板25由四个直径为40mm的支柱29固定。

绝对型旋转编码器17由底座定位槽固定，位于直流电机19的上方，并随其旋转。旋转编码器17有八根信号线，工作时输出八种不同的信号，每一种信号对应于一种通道模式，共有八种通道模式，最低为单通道，最高为128通道。旋转编码器17读出毛细管14阵列的位置信号，其位置信号经译码电路22、数据采集卡24传递给计算机23，同时触发数据采集卡24对该毛细管进行荧光信号采集。译码电路22上设有拨档开关，可以对八种不同的通道模式进行选择。这种设计的特征在于可以根据研究的需要选择不同的通道模式，同时旋转编码器17采用格雷码编码，可以比较准确地读出毛细管14阵列的位置信号。

光电倍增管9外接负高压直流电源，用于荧光信号检测，分析样品产生的荧光由第一反射镜5收集，经第一透镜4变为平行光、双色镜3反射、长通滤波片6滤波、第二透镜7聚焦到光阑8的小孔上，光阑8固定在光电倍增管9上，其前设有可旋转挡光片，光电倍增管9将荧光信号转化为电信号并传递给采集卡24，数据采集卡24将其转变为数字信号后送给计算机。

聚四氟乙烯环20采用精密机械加工而成，其上刻有128等份凹槽，用于固定毛细管14阵列。聚四氟乙烯环20套在铝环26上，铝环26固定在板25下面的定位槽里。这种设计确保了毛细管14阵列检测窗口到第一反射镜5中心轴线的距离均一致。

毛细管14阵列呈圆形对称分布，两端分别置于缓冲液池中，并与电极相连接。为了消除毛细管的扭曲张力，便于毛细管的固定，样品池托盘13设计成圆形，其上设有圆形孔，用于放置样品。毛细管14阵列共用废液槽15，其深40mm，放置于样品缓冲液池13的圆形槽中。样品缓冲液池13由三个支柱28固定，且可以调节。第一透镜4由固定环27固定，放置于废液池15的圆形孔中，且沿垂直方向可调。这种设计便于光路调节，同时可以实现重力虹吸进样。

电泳高压电源10通过继电器11与样品池电极12相连，废液池电极经数显式电流表16与地连接。这种设计的特征在于可以有效地进行高压控制，提高了装置的安全性，实现了电动进样，同时通过电流表16显示的电流可以判断电泳缓冲溶液是否发生变化。

激光器、光学元件、光电倍增管、支柱均固定在隔振精密光学平台30上，实现了旋转编码器、高速直流电机、第一反射镜、激光束的共轴，极大地减弱了直流电机工作时的振动，提高了数据的准确、可靠性。

采用运行缓冲溶液将若丹明6G、若丹明B的混合物稀释至分析浓度，以pH＝9.0，10mmol/L硼砂溶液作为运行缓冲溶液.把16根毛细管(规格与实施例1相同)阵列呈圆形对称地固定在聚四氟乙烯环20上，两端均插入缓冲液池中.将译码电路22上的拨档开关调至16通道位置，系统控制程序中的通道数目设为16.在分离电压13.0kV运行缓冲溶液10min后，由高压继电器11断开电泳高压，在5.0kV电压下电动进样6s，然后在分离电压下进行16通道阵列电泳分离，实验结果见图4.其中，X轴为样品的迁移时间，箭头指向为毛细管通道数目，每个通道的样品峰依次为若丹明6G、若丹明B(由左至右).

Claims (3)

1.一种多通道模式毛细管电泳装置，它主要由532nm半导体激光器(1)、光学元件、高压电源(10)、高压继电器(11)、毛细管(14)、缓冲液池、电极(12)、电流表(16)、双轴微型直流电机(19)、绝对型旋转编码器(17)、译码电路(22)、光电倍增管(9)、数据采集卡(24)、计算机(23)、板(25)及支柱组成；

所述光学元件包括双色镜、长通滤波片、第一透镜、第二透镜、光阑、第一反射镜和第二反射镜；

毛细管(14)阵列采用圆形对称布局，由刻有128等份均匀凹槽的聚四氟乙烯环(20)固定，所述毛细管(14)阵列的两端分别置于缓冲液池中，其一端由电泳阳极通过高压继电器(11)与电泳高压电源(10)相接，另一端由电泳阴极经电流表(16)同地相连；

双轴微型直流电机(19)固定于板(25)中心的定位槽里，板(25)由支柱(29)支撑固定，所述双轴微型直流电机(19)的一轴通过连轴器(18)与绝对型旋转编码器(17)相连接，绝对型旋转编码器(17)由线路与译码电路(22)连接，译码电路(22)再与计算机(23)进行线路连接；

所述双轴微型直流电机(19)的另一轴固定有下端面为“V”字形的转子(21)，“V”字形的两平面与水平面的夹角均为45°，其中一平面铣有圆形凹槽，第一反射镜(5)固定于凹槽内，其反射面与水平面呈45°角，且第一反射镜(5)置于呈圆形对称布局毛细管(14)阵列的中心轴线上，位于中心轴线上的第一反射镜(5)可与圆形对称布局的毛细管(14)阵列相对旋转，进行激光扫描，第一反射镜(5)的正下方设有水平放置的第一透镜(4)，第一透镜(4)的正下方固定有与水平面呈45°角的双色镜(3)，与水平面呈45°夹角的第二反射镜(2)位于双色镜(3)的正下方，且置于半导体激光器(1)的光路上；

在双色镜(3)的反射光路上依次设有长通滤波片(6)、第二透镜(7)、光阑(8)，由第二透镜(7)聚焦到光阑(8)上的荧光信号传递给光电倍增管(9)检测，光电倍增管(9)将荧光信号转变为电信号，经数据采集卡(24)A/D转换后，由计算机(23)存储。

2.按照权利要求1所述的多通道模式毛细管电泳装置，其特征在于：所述毛细管(14)阵列的两端分别置于缓冲液池中，其一端置于样品缓冲液池(13)中，另一端置于共用的缓冲废液池(15)中；样品缓冲液池(13)为环形布局，通过可以进行高度调节的支杆(28)支撑，支杆(28)的下端面可在水平面上移动；缓冲废液池(15)为环形布局，缓冲废液池(15)放置于环形样品缓冲液池(13)中部，第一透镜(4)通过固定环(27)放置于缓冲废液池(15)的环形中心。

3.按照权利要求2所述的多通道模式毛细管电泳装置，其特征在于：所述固定环(27)的外周设有外螺纹，缓冲废液池(15)的内环上加工有内螺纹，固定环(27)与缓冲废液池(15)经螺纹连接，并可以通过螺纹调节其垂直高度。

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