微米柱阵列电泳芯片及蛋白质分离的研究

蛋白质分离是研究生命活动过程的重要基础。常用方法之一是凝胶电泳法，包括平板凝胶电泳、毛细管凝胶电泳和微流控芯片凝胶电泳。它们所用的凝胶或凝胶柱不能重复使用；凝胶网络网孔形状与尺寸不均一、不可控，不利于提高蛋白质分离度和批间重现性。本项目通过制作微米柱阵列电泳芯片，以形状、尺寸均一且人工可控的微米柱阵列三维间隙结构模拟凝胶三维网状结构，研究微米柱阵列电渗流场、微米柱表面特性以及蛋白质在微米柱阵列电泳中的电迁移行为与分离机理，建立多种分离模式的微米柱阵列电泳分离蛋白质，并将其用于临床诊断；研究微米柱阵列等电聚焦与微米柱阵列胶束电动色谱联用的二维微米柱阵列电泳法，用于分离分析复杂蛋白质混合物。相较常用凝胶电泳法，微米柱阵列电泳芯片能提高蛋白质分离度、批间重现性；可多次重复使用，成本低廉。本项目的研究将建立微米柱阵列电泳蛋白质分离法及其相关理论基础，实现蛋白质分离的高分离度、高灵敏度、高重现性。

本项目是关于微米柱阵列微通道芯片电泳的开创性研究，基本达到预期目标。采用连续介质理论建立了微流体模型，运用多物理场耦合分析软件COMSOL基于Poisson-Boltzmann方程建立了微米柱阵列微通道的多物理场模型。研究了微米柱阵列通道中电势分布规律、电渗流场分布规律及电泳流场分布规律，并与中空微通道对比，以预测蛋白质在微米柱阵列中的分离行为规律。首次探明了微米柱阵列微通道中离子的电动传输规律和微观运动规律。研究结果表明，微米柱阵列微通道中电泳样品区带会发生展宽与弯折，区带展宽现象比传统中空微通道更严重，不利于直接利用CZE模式分离蛋白质等在通道壁面有吸附的分子，需采用适宜表面涂层方法抑制蛋白质吸附以防止样品区带进一步展宽。利用微机电加工技术在硅片上制作了微米柱阵列微通道模具。反复探索发现，由于加工技术原因，刻蚀所得模具形貌与设计预期的并不能完全一致，这将导致实际微米柱阵列微芯片电泳过程与理论计算结果存在差异。此外，本项目所研究的微米柱的高径比相对较大，这些微米柱之间由于疏水作用而发生强烈排斥，影响了后续键合封接。项目实施过程中，优化了微米柱表面的涂层种类及其修饰方法，减弱了微米柱间的排斥作用且保证了后续键合封接的牢固程度，为微米柱阵列微芯片的广泛研究奠定了技术基础。