毛细管电泳与微流控基微纳反应平台的构建及其在核酶与脱氧核酶生物催化活性评价中的应用

具有催化功能的RNA和DNA称为核酶和脱氧核酶，二者在生物化学、分子生物学、生物进化以及疾病诊疗等方面有着重要的研究意义，但现行的生物催化活性评价方法却相对落后。为此，本研究拟构建基于毛细管电泳与微流控芯片的微纳反应平台，通过系统考察微纳尺度上的传热与传质，核酸的高效分离与灵敏检测，实现"进样-混合-反应-分离-检测"的高度集成。以脱氧核酶"PS5.M"催化卟啉金属化，锤头型核酶切割靶RNA，"10-23"型脱氧核酶切割靶RNA三个生物催化体系为模型，系统考察影响核酶和脱氧核酶生物催化活性的因素，定量研究催化反应动力学，结合计算化学方法探索核酶和脱氧核酶的催化机制。在此基础上对"10-23"型脱氧核酶进行合理化学修饰，并进行活性评价。开展此课题将显著提高核酶与脱氧核酶的生物催化活性评价能力，为核酶与脱氧核酶的合理设计和修饰提供理论依据，并为核酶和脱氧核酶的筛选提供强有力的实验工具。

本项目旨在构建基于毛细管电泳与微流控芯片的微纳反应平台，用于核酶与脱氧核酶的生物催化活性评价研究。围绕这一主题，项目组开展了多个方面的研究工作。微纳流体的驱动与控制是微纳反应平台构建的首要条件，项目组发展了一种压力辅助方法制备高性能的整体柱基电渗泵，设计并构建了基于二元电渗泵的梯度生成器并以之为驱动力搭建了微型液相色谱系统，获得了与商用液相色谱相比拟的分离能力。以凝血酶适体(TBA29, TBA15)为对象研究了DNA片段在毛细管内的固定方法，评价了固定后凝血酶适体的稳定性与活性。以Φx174-Hae III 酶解 DNA片段为目标分析物，考察了环烯烃共聚物(COC)基微流控芯片对DNA片段的分离能力，并在此基础上探索了梯度电压，长分离通道，通道表面改性等方法增强芯片电泳分离能力的可行性。在上述实验基础上，设计并制作了一款Y型通道和十字型通道杂合的微流控芯片，该芯片可以实现“进样-混合-反应-分离-检测”的全自动在线集成，其中，Y型通道的混合部分是一种双螺旋结构的通道，实现了反应物的高效混合与反应，该芯片成功应用于ANTS标记醛类化合物的全自动在片衍生与分离。以羟丙基纤维素(HPC)为动态改性试剂，发展了基于微流控芯片的快速灵敏分析方法，用于分析食品中草甘膦和草铵膦残留，麻黄植物及其制剂中的麻黄碱与伪麻黄碱，以及鱼肉中的生物胺等。为了匹配芯片电泳的快速分析，发展了微波快速衍生方法，用于糖类化合物的分析。新型功能材料在分析化学中的应用越来越广泛，项目执行期间也曾考虑在微流控芯片中引入合适的材料以增强分离能力。项目组合成了一种有机聚合物多孔材料，并以之为模板制备了一种中空多孔碳球，研究了其电化学性质；制备了一种磁性分子印迹材料作为固相萃取介质，用于增强毛细管电泳分析环境水体中氯酚的灵敏度。本项目的开展和研究增强了芯片电泳的分离能力，拓展了其在环境、食品、生物等领域的应用，其结果对分析仪器的微型化、集成化及便携化等方面具有重要意义。