微全分析系统中的微分离学及其在生命科学中的应用

　　一个时期以来,以芯片为平台的微全分析系统(μ-TAS,又称芯片实验室)迅速崛起^[1]。微全分析系统包括进样、分离、检测,广义的还涉及到反应和输运。现阶段分离技术的主流是电泳,在一种类似于毛细管的多个微通道内实现的高通量的电泳。除此之外,已经开始介入的分离技术还有离心、分配、剪切等。

　　电泳是电介质中带电粒子在电场作用下以不同速度向电荷相反方向迁移的现象,利用这种现象对化学或生物化学组分进行分离分析的技术称之为电泳技术。毛细管电泳泛指在极细的毛细管内实现的一大类电泳技术^[2]。十几年来毛细管电泳作为一种非常重要的分离分析技术已对生命科学的各个领域的发展起到了极其重要的作用^[3]。96根阵列毛细管电泳的实用化大大加快了举世瞩目的人类基因组工程的进程,使之由原定的2005年提前到2000年基本完成。在今后一段时间,以高通量微通道电泳为主体分离技术的微全分析系统将成为现代分析技术的主流并“可能引起分析化学的一场革命”。

　　1　以芯片电泳为代表的微分离学的平台特征^[4]

　　1·1　材料

　　芯片状平台决定了其在材质上较之毛细管电泳有更多的选择余地,可用于芯片的材料包括石英、玻璃、塑料和陶瓷等。不同的材料影响分离通道加工工艺,同时也影响分离通道中的电渗流,表面吸附,杂质种类和含量,因此涉及到不同的表面修饰。

　　1·2　尺寸

　　现有微全分析系统中的通道的尺寸通常为50μm宽,10μ深,底宽略小于顶宽,截面大体呈梯型,面积约为相应毛细管的1/4,长度为5~10cm,总体积较相应电泳毛细管小一个数量级左右。这样一种尺寸当然远大于载体分子的平均自由程,因此连续介质定理成立,连续性方程可用。但是由于尺寸细微,使影响传动、传热和传质各因素的相对重要性发生变化。其中至少包括(1)自由对流下惯性力与粘性力的比值以及自由对流与受迫对流的判

　　据(如雷诺数值等);(2)面体比增加,因此包括表面张力,粘性力,换热等在内的表面作用增强,其中表面换热的增加使传热现象应用于流动控制成为可能;(3)流动和传热的边缘效应、端部效应增强,三维效应不能忽略,传热强化。相应的,必须对流动、扩散、对流以及导热和对流换热、相关的其他传热等予以深入研究。

　　2　微全分析系统的分离对象

　　2·1　一般对象

　　已经认定,芯片电泳可以用于分离包括DNA、蛋白、糖和各种小分子在内的不同对象,并将会用于药物筛选、临床诊断、功能基因分析、细胞计数等领域。这一部分的功能和毛细管电泳基本重叠,但是芯片电泳潜在成本低、体积小、速度快、易于实现高通量。因此,为后基因组时代所做的各种关于毛细管电泳及其应用的一系列研究工作原则上均可移植,相关的积累可以沿用。仅以我们实验室为例,这种积累大体涉及到下述几个方面。