專利名稱：一種多通道模式毛細管電泳裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及高效毛細管陣列電泳系統，具體地說是基于532 nm激光誘 導熒光檢測的多通道模式毛細管電泳裝置，其為樣品分離條件的快速優化、 組合不對稱催化反應條件高通量篩選等研究領域提供了一種可靠的分析手 段。
背景技術：
隨著組合化學、基因組學與蛋白質組學的發展，對化合物進行分析正 面臨著前所未有的壓力。樣品越來越復雜，分析量越來越大，復雜的樣品 要求較好的分析手段，大量的樣品則要求更高的分析通量。高效毛細管電 泳(High Performance Capillary Electrophoresis, HPCE)具有分離效率高、 分析速度快、樣品體積小等優點，在分析化學方面的應用日益廣泛，已經 成為一種重要的分析工具。但它每次只能分析一種樣品，進行高通量樣品 分析需要將多根毛細管組成陣列，即毛細管陣列電泳(Capillary Array Electrophoresis, CAE)。毛細管陣列電泳因人類基因組計劃(Human Genome Project, HGP)對 測序數量跳躍級的需求應運而生，它由Mathies研究小組在1992年首先提 出，隨后各科研單位根據研究的需要分別研制出了不同的毛細管陣列電泳 裝置。目前,市場上已經出現了多種商品化的高效陣列毛細管電泳儀，主要 分為毛細管凝膠電泳(CGE)和毛細管區帶電泳(CZE)，從用途上來看， 前者主要用于基因序列分析，而后者除了可用于各種單通道高效毛細管電 泳所適用的所有場合外，在一些新的更具挑戰性的領域，如蛋白質組學分 析、分離與反應條件優化、酶活性測定、組合化學庫篩選等，具有更多的 優勢。但這些商品化陣列毛細管電泳儀主要還是用于DNA序列分析，并且 造價太高。激光誘導熒光(Laser-induced Fluorescence, LIF)因檢測靈敏度高而成 為陣列毛細管電泳主要的檢測方式，常見有掃描式和成像式兩種。成像式 檢測對激光強度要求較高，并且照射到毛細管檢測窗口上的激光強度要一 致，由于毛細管排列緊密，容易出現相鄰毛細管之間熒光信號的相互干擾； 掃描式檢測對激光強度要求較低，但轉動部件的引入導致毛細管的定位比 較困難，數據采集速度慢且容易出現偏差。中國專利(申請號03133511.X)公開了一種毛細管陣列電泳旋轉式 激光掃描共聚焦檢測儀，用于分離與檢測。該專利采用氣體激光器作為激 發光源，進樣方式單一、缺少電泳高壓控制系統，同時氣體激光器性能不 穩定、使用壽命短
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于532 nm激光誘導熒光共聚焦檢測的多 通道模式毛細管電泳裝置，可以解決現有技術的存在的問題，具有高通量、 定位準確、使用靈活、造價低廉的特點。為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種基于532 nm激光誘導熒光檢測的多通道模式毛細管電泳裝置，它 主要由半導體激光器、光學元件、高壓電源、高壓繼電器、毛細管、緩沖 液池、電極、電流表、雙軸微型直流電機、反射鏡、絕對型旋轉編碼器、 譯碼電路、光電倍增管、數據采集卡、計算機、板及支柱組成。雙軸微型直流電機固定于板中心的定位槽里，板由支柱支撐固定，雙 軸微型直流電機的一軸通過連軸器與絕對型旋轉編碼器連接，絕對型旋轉 編碼器與譯碼電路相連接(絕對型旋轉編碼器輸出的信號傳遞給譯碼電路)，譯碼電路再與計算機線路連接。毛細管陣列采用圓形對稱布局，由刻有1、 2、 4、 8、 16、 32、 64或128 等份均勻凹槽的聚四氟乙烯環固定，毛細管的兩端分別置于緩沖液池中， 其一端由電泳陽極通過繼電器與電泳高壓電源相接，另一端由電泳陰極經 電流表同地相連。所述雙軸微型直流電機的另一軸固定有下端為"V"字形的轉子，"V"字 形的兩平面與水平面的夾角均為45°，其中一平面銑有圓形凹槽，反射鏡 (500 nm-650 nm)固定于凹槽內，其反射面與水平面呈45°角，且反射鏡 置于圓形對稱布局毛細管陣列的中心軸上，中心軸上的反射鏡可與圓形對 稱布局的毛細管進行相對旋轉，進行激光掃描，反射鏡的正下方設置有水 平放置的透鏡，透鏡的正下方固定有與水平面呈45。角的雙色鏡，雙色鏡的 正下方放置有與水平面呈45°角的反射鏡，反射鏡置于半導體激光器的激光 光路上。在雙色鏡的反射光路上依次設有長通濾波片、透鏡及光闌，經透鏡聚 焦到光闌上的熒光信號傳遞給光電倍增管檢測，光電倍增管將光信號轉變 為電信號，經12位數據采集卡A/D轉換后，由計算機存儲。所述毛細管的兩端分別置于緩沖液池中，其一端置于樣品緩沖液池中， 另一端置于共用的緩沖廢液池中，樣品緩沖液池為環形布局，其上有孔， 用于放置樣品及緩沖溶液離心管，通過可以進行高度調節的支桿支撐，且 支桿的下端面可在水平面上移動；緩沖廢液池為環形布局，放置于環形樣 品緩沖液池的中部，透鏡通過固定環置于緩沖廢液池的環形中心；所述固 定環的外周設有外螺紋，緩沖廢液池的內環加工有內螺紋，固定環與緩沖 廢液池進行螺紋連接，并可通過螺紋調節其垂直高度。本發明具有如下優點1.高通量樣品分析，快速分離條件篩選。本發明有八種可以選擇的通 道模式，分別為1、 2、 4、 8、 16、 32、 64、 128通道，由譯碼電路上面的 撥檔開關控制；最高可進行128種樣品的同時分析，快速分離條件的篩選。2. 使用靈活、操作安全、造價低廉。本發明可以根據研究需要選擇毛 細管通道數目，既可采用重力虹吸進樣，也可采用電動進樣，進樣方式靈 活，高壓繼電器可以有效的控制電泳高壓，操作安全、造價低廉。3. 數據采集速度快，定位準確，數據可靠。本發明采用微型高速直流 電機帶動旋轉反射鏡進行激光掃描，加快了數據采集的速度；采用格雷碼 編碼的絕對型旋轉編碼器獲得毛細管的位置信號并觸發數據采集卡對其進 行熒光信號采集，解決了毛細管的定位問題；同時，激光器、光學元件、 光電倍增管、支柱均固定在隔振精密光學平臺上，實現了旋轉編碼器、高 速直流電機、旋轉反射鏡、激光束的共軸，"V"字形設計的轉子極大地減弱 了直流電機工作時的振動，提高了數據的準確、可靠性。4，采用可輸出連續激光的半導體激光器作為激發光源，它具有體積小、 性能穩定、壽命長、價格低廉，且功率可調的特點。5. 緩沖廢液池為環形布局，與樣品緩沖液池的環形布局相對稱，減少 了毛細管固定時的扭曲張力，便于毛細管的固定與操作。6. 本發明板上設有定位孔，整個裝置采用基孔制定位，裝置各部件排 列緊湊，減弱了直流電機工作時的振動。總之，本發明一種基于532nm激光誘導熒光共聚焦檢測的多通道模式 高效毛細管陣列電泳儀中，以體積小、性能穩定、壽命長、價格低廉，且 激光功率可調的532nm半導體激光器作為激發光源；毛細管陣列由經精密 機械刻有128等份均勻凹槽的聚四氟乙烯環固定；旋轉速度可調且旋轉方 向可變的高速直流電機帶動旋轉反射鏡進行激光掃描并加快了數據采集的 速度，旋轉編碼器讀出毛細管的位置信號并觸發數據采集卡進行熒光信號 采集，同時實現了八種可供選擇的通道模式，繼電器控制電泳高壓并實現 了電動進樣，數顯式電流表用于檢測裝置的總電流，各零配件排列緊湊， 特殊設計的旋轉反射鏡轉子減弱了高速直流電機工作時的振動，提高了可 定位毛細管的數目和準確性。本發明解決了掃描式檢測中數據采集速度慢 及毛細管的定位問題，克服了成像式檢測中毛細管之間熒光信號相互干擾 的缺點，提高了數據的可靠性，同時具有定位準確、分離速度快、使用靈 活、操作安全、造價低廉的優點，并可以根據研究的需要選擇毛細管通道 數目，特別適合于高通量樣品分析、分離與反應條件優化及組合化學庫篩 選等研究領域。
圖1為532nm毛細管陣列電泳裝置示意圖。圖2為532nm毛細管陣列電泳裝置核心部件剖面圖。圖3為128通道分離若丹明6G的電泳圖。圖4為16通道分離若丹明類混合染料的電泳圖。
具體實施方式
實施例1如圖1、 2所示， 一種基于532 nm激光誘導熒光檢測的多通道模式毛 細管電泳裝置，它主要由半導體激光器1、光學元件、高壓電源10、高壓 繼電器11、毛細管14、緩沖液池、電極12、電流表16、雙軸微型直流電 機19、反射鏡5、絕對型旋轉編碼器17、譯碼電路22、光電倍增管9、數 據采集卡24、計算機23、板25及支柱組成。雙軸微型直流電機19固定于板25的中心，板25由支柱29支撐固定； 雙軸微型直流電機19的一軸通過連軸器18與絕對型旋轉編碼器17連接， 絕對型旋轉編碼器17輸出的信號傳遞給譯碼電路22，譯碼電路22再與計 算機23線路連接。毛細管14采用圓形對稱布局，由刻有均勻凹槽的聚四氟乙烯環20固 定，毛細管14的兩端分別置于緩沖液池中，其一端由電泳陽極通過繼電器 11與電泳高壓電源IO相接，另一端由電泳陰極經電流表16同地相連。毛細管14陣列的兩端分別置于緩沖液池中，其一端置于樣品緩沖液池 13中，另一端置于共用的緩沖廢液池15中，樣品緩沖液池13為環形布局， 通過可以調節高度的支桿28支撐，支桿28的下端面可在水平面上移動， 緩沖廢液池15為環形布局，緩沖廢液池15放置于環形樣品緩沖液池13中 部，透鏡4通過固定環27置于緩沖廢液池15的環形中心。固定環27的外 周設有外螺紋，緩沖廢液池15的內環上加工有內螺紋，固定環27與緩沖 廢液池15螺紋連接，并可通過螺紋調節其垂直高度。轉子21由有機玻璃棒經精密機械加工做成，上端銑有矩形凹槽且固定 在微型高速直流電機19的下軸上，"V"字形的兩平面與水平面的夾角均為 45°，其中一平面銑有圓形凹槽，反射鏡5 (500nm-650nm)固定于凹槽內， 其反射面與水平面呈45°角，且反射鏡5置于圓形對稱布局毛細管14陣列 的中心軸上，中心軸上的反射鏡5可與圓形對稱布局的毛細管14陣列進行 相對旋轉；反射鏡5的正下方設置有水平放置的透鏡4，透鏡4的正下方設 置有與水平面呈45°角的雙色鏡3，雙色鏡3的正下方設置有與水平面呈45° 角的反射鏡2，反射鏡2置于半導體激光器1的光路上。在雙色鏡3的反射光路上依次設有長通濾波片6、透鏡7、光闌8，聚 焦到光鬧8上的熒光信號傳遞給光電倍增管9檢測，光電倍增管9將熒光 信號轉變為電信號，經12位數據采集卡24A/D轉換后，由計算機23存儲。聚四氟乙烯環20套在鋁環26上，鋁環26固定在板25下面的定位 槽里，聚四氟乙烯環20由精密機械加工而成，其上均勻刻有128等份凹槽， 用于固定毛細管陣列14。樣品緩沖液池13設計為環形，其上有孔，用于放置緩沖液及樣品離心 管。毛細管14陣列共用緩沖廢液池15，緩沖廢液池15深40 mm，可以進 行重力虹吸進樣，樣品緩沖液池13由三個支柱28固定，且可以調節，透 鏡4由固定環27固定且垂直可調。
微型高速直流電機19帶動旋轉反射鏡5進行激光掃描，并加快了數 據采集的速度；E6CP-AG3C型旋轉編碼器17讀出毛細管14陣列的位置信 號，并觸發數據采集卡24對該毛細管進行熒光信號采集；半導體激光器1 發射的532 nm連續激光經反射鏡2、雙色鏡3、透鏡4、旋轉反射鏡5 聚焦到毛細管14陣列的檢測窗口上，樣品產生的熒光由旋轉反射鏡5收集， 經透鏡4變為平行光，雙色鏡3反射，長通濾波片6濾波，透鏡7聚焦 到光闌8上，并傳遞給光電倍增管9檢測，光電倍增管9將熒光信號轉變 為電信號，經12位數據采集卡24A/D轉換后，由計算機23存儲。 一 以若丹明6G為分析樣品驗證:128通道毛細管陣列電泳的可行性。 采用內徑50)im，外徑375 iim的熔融石英毛細管，總長度為25 cm，有效 長度為23 cm。使用蒸餾水將若丹明6G甲醇母液稀釋至lxl(T6mol/L作為 分析樣品，以含有5%甲醇(v/v)的pH40， 1Ommol/L硼砂溶液為運行緩 沖液。將128根上述規格的毛細管陣列沿圓形對稱地固定在刻有128等份 均勻凹槽的聚四氟乙烯環20上，毛細管陣列兩端分別置于緩沖溶液池中， 陽極通過高壓繼電器ll與電泳高壓電源相連接，陰極經電流表16與地相 接。將譯碼電路22上的撥檔開關調至128通道位置，系統控制程序中的通 道數目設為128。在10kV分離電壓下運行緩沖溶液10min后，由繼電器11 斷開電泳高壓，電動進樣10s，然后進行電泳分離，結果見圖3。其中，X 軸為若丹明6G的遷移時間，箭頭指向為毛細管陣列的通道數目。實施例2采用能夠輸出532nm連續激光的半導體激光器1作為激發光源，其特 征為體積小、性能穩定、壽命長、價格低廉，且激光功率可調。45度532nm反射鏡2固定在可調精密光學底座上，便于光路的調節， 使激光光束與旋轉反射鏡5同軸，提高了裝置的重現性。雙色鏡(550nm以下透過，550nm以上反射)3位于反射鏡2上方， 且與水平面夾角為45。，其作用在于透射532 nm激光，同時反射樣品產生 的熒光并傳遞給光電倍增管9檢測。轉子21由精密機械加工做成， 一端為"V"結構，兩平面與水平面的夾 角均為45°，其中一平面銑有圓形凹槽用于固定反射鏡(500 nm~650 nm) 5， 另一端銑有矩形凹槽且固定在微型高速直流電機19的下軸上。這種設計減 弱了高速直流電機工作時的振動，提高了數據的準確性。微型高速直流電機19固定在板25上面的定位槽里，它的旋轉速度可 以調節，旋轉方向可以改變，且具有兩個旋轉軸，上軸通過連軸器18連接 絕對型旋轉編碼器17，下軸連接轉子21，外接穩壓電源。板25由四個直 徑為40mm的支柱29固定。絕對型旋轉編碼器17由底座定位槽固定，位于直流電機19的上方， 并隨其旋轉。旋轉編碼器17有八根信號線，工作時輸出八種不同的信號， 每一種信號對應于一種通道模式，共有八種通道模式，最低為單通道，最
高為128通道。旋轉編碼器17讀出毛細管14陣列的位置信號，其位置信 號經譯碼電路22、數據采集卡24傳遞給計算機23，同時觸發數據采集卡 24對該毛細管進行熒光信號采集。譯碼電路22上設有撥檔開關，可以對 八種不同的通道模式進行選擇。這種設計的特征在于可以根據研究的需要 選擇不同的通道模式，同時旋轉編碼器17采用格雷碼編碼，可以比較準確 地讀出毛細管14陣列的位置信號。光電倍增管9外接負高壓直流電源，用于熒光信號檢測，分析樣品產 生的熒光由旋轉反射鏡5收集，經透鏡4變為平行光、雙色鏡3反射、長 通濾波片6濾波、透鏡7聚焦到光闌8的小孔上，光闌8固定在光電倍 增管9上，其前設有可旋轉擋光片，光電倍增管9將熒光信號轉化為電信 號并傳遞給采集卡24，數據采集卡24將其轉變為數字信號后送給計算機。聚四氟乙烯環20采用精密機械加工而成，其上刻有128等份凹槽，用 于固定毛細管14陣列。聚四氟乙烯環20套在鋁環26上，鋁環26固定 在板25下面的定位槽里。這種設計確保了毛細管14陣列檢測窗口到旋轉 反射鏡5中心軸線的距離均一致。毛細管14陣列呈圓形對稱分布，兩端分別置于緩沖液池中，并與電極 相連接。為了消除毛細管的扭曲張力，便于毛細管的固定，樣品池托盤13 設計成圓形，其上設有圓形孔，用于放置樣品。毛細管14陣列共用廢液槽 15，其深40 mm，放置于樣品緩沖液池13的圓形槽中。樣品緩沖液池13 由三個支柱28固定，且可以調節。透鏡4由固定環27固定，放置于廢液 池15的圓形孔中，且沿垂直方向可調。這種設計便于光路調節，同時可以 實現重力虹吸進樣。電泳高壓電源IO通過繼電器11與樣品池電極12相連，廢液池電極 經數顯式電流表16與地連接。這種設計的特征在于可以有效地進行高壓控 制，提高了裝置的安全性，實現了電動進樣，同時通過電流表16顯示的電 流可以判斷電泳緩沖溶液是否發生變化。激光器、光學元件、光電倍增管、支柱均固定在隔振精密光學平臺30 上，實現了旋轉編碼器、高速直流電機、旋轉反射鏡、激光束的共軸，極 大地減弱了直流電機工作時的振動，提高了數據的準確、可靠性。采用運行緩沖溶液將若丹明6G、若丹明B的混合物稀釋至分析濃度， 以pH-9.0， 1Ommol/L硼砂溶液作為運行緩沖溶液。把16根毛細管(規格 與實施例1相同)陣列呈圓形對稱地固定在聚四氟乙烯環20上，兩端均插 入緩沖液池中。將譯碼電路22上的撥檔開關調至16通道位置，系統控制 程序中的通道數目設為16。在分離電壓13.0kV運行緩沖溶液10min后， 由高壓繼電器ll斷開電泳高壓，在5.0kV電壓下電動進樣6s，然后在分 離電壓下進行16通道陣列電泳分離，實驗結果見圖4。其中，X軸為樣品 的遷移時間，箭頭指向為毛細管通道數目，每個通道的樣品峰依次為若丹 明6G、若丹明B (由左至右)。
權利要求
1.一種多通道模式毛細管電泳裝置，它主要由532nm半導體激光器(1)、光學元件、高壓電源(10)、高壓繼電器(11)、毛細管(14)、緩沖液池、電極(12)、電流表(16)、雙軸微型直流電機(19)、反射鏡(5)、絕對型旋轉編碼器(17)、譯碼電路(22)、光電倍增管(9)、數據采集卡(24)、計算機(23)、板(25)及支柱組成；毛細管(14)陣列采用圓形對稱布局，由刻有1、2、4、8、16、32、64或128等份均勻凹槽的聚四氟乙烯環(20)固定，毛細管(14)陣列的兩端分別置于緩沖液池中，其一端由電泳陽極通過繼電器(11)與電泳高壓電源(10)相接，另一端由電泳陰極經電流表(16)同地相連；雙軸微型直流電機(19)固定于板(25)中心的定位槽里，板(25)由支柱(29)支撐固定，雙軸微型直流電機(19)的一軸通過連軸器(18)與絕對型旋轉編碼器(17)相連接，絕對型旋轉編碼器(17)由線路與譯碼電路(22)連接，譯碼電路(22)再與計算機(23)進行線路連接；所述雙軸微型直流電機(19)的另一軸固定有下端面為“V”字形的轉子(21)，“V”字形的兩平面與水平面的夾角均為45°，其中一平面銑有圓形凹槽，反射鏡(5)固定于凹槽內，其反射面與水平面呈45°角，且反射鏡(5)置于呈圓形對稱布局毛細管(14)陣列的中心軸線上，位于中心軸線上的反射鏡(5)可與圓形對稱布局的毛細管(14)陣列相對旋轉，進行激光掃描，反射鏡(5)的正下方設有水平放置的透鏡(4)，透鏡(4)的正下方固定有與水平面45°角的雙色鏡(3)，與水平面45°夾角的反射鏡(2)位于雙色鏡(3)的正下方，且置于半導體激光器(1)的光路上；在雙色鏡(3)的反射光路上依次設有長通濾波片(6)、透鏡(7)、光闌(8)，由透鏡(7)聚焦到光闌(8)上的熒光信號傳遞給光電倍增管(9)檢測，光電倍增管(9)將熒光信號轉變為電信號，經12位數據采集卡(24)A/D轉換后，由計算機(23)存儲。
2. 按照權利要求l所述的多通道模式毛細管電泳裝置，其特征在于 所述毛細管(14)陣列的兩端分別置于緩沖液池中，其一端置于樣品緩沖 液池(13)中，另一端置于共用的緩沖廢液池(15)中；樣品緩沖液池(13) 為環形布局，通過可以進行高度調節的支桿(28)支撐，支桿(28)的下 端面可在水平面上移動；緩沖廢液池(15)為環形布局，緩沖廢液池(15) 放置于環形樣品緩沖液池(13)中部，透鏡(4)通過固定環(27)放置于 緩沖廢液池(15)的環形中心。
3. 按照權利要求2所述的多通道模式毛細管電泳裝置，其特征在于 所述固定環(27)的外周設有外螺紋，緩沖廢液池(15)的內環上加工有 內螺紋，固定環(27)與緩沖廢液池(15)經螺紋連接，并可以通過螺紋 調節其垂直高度。
全文摘要
本發明涉及一種基于532nm激光誘導熒光共聚焦檢測的多通道模式高效毛細管陣列電泳儀，532nm激發光源發出的連續激光經光學元件聚焦到毛細管的檢測窗口上，毛細管陣列由聚四氟乙烯環固定，樣品產生的熒光信號由旋轉反射鏡收集，沿光路到達光電倍增管檢測；高速直流電機帶動旋轉反射鏡進行激光掃描，加快了數據采集的速度，并以旋轉編碼器實現毛細管的位置信號讀出及觸發數據采集系統進行熒光采集；高壓繼電器控制電泳高壓并實現了電動進樣。本發明數據采集速度快、毛細管定位準確，克服了成像式檢測中毛細管之間熒光信號相互干擾的缺點，提高了數據的可靠性，同時具有分離速度快、使用靈活、操作安全、造價低廉的優點。
文檔編號G01N21/64GK101165472SQ20061004805
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月20日 優先權日2006年10月20日
發明者劉開穎, 俊 汪, 利 王, 白吉玲 申請人:中國科學院大連化學物理研究所