基于新型兩親與納米材料的毛細(xì)管電泳分析.pdf

1、毛細(xì)管電泳(CE)是一種強(qiáng)大的分離分析工具,曾在人類基因組學(xué)中發(fā)揮過(guò)重大作用。雖然目前CE的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣,基于CE的芯片技術(shù)也是發(fā)展得如火如荼,但是CE自身方法學(xué)方面的研究步伐卻有放緩的趨勢(shì)。一些瓶頸問(wèn)題(如蛋白質(zhì)分析中的管壁吸附問(wèn)題)目前仍沒(méi)有很好的解決辦法,這嚴(yán)重制約了CE的發(fā)展與應(yīng)用。另一方面,材料科學(xué)在近二十年突飛猛進(jìn)的發(fā)展為各行各業(yè)帶來(lái)了巨大的變革。新材料帶來(lái)新性能的同時(shí)也為分析科學(xué)帶來(lái)了解決問(wèn)題的新工具。本論文工作旨在立

2、足于毛細(xì)管電泳與材料科學(xué)的交叉領(lǐng)域,利用新型材料(主要包括兩親和納米材料)提供的優(yōu)異性質(zhì),為CE中的一些瓶頸問(wèn)題(如蛋白質(zhì)吸附抑制、電滲控制等)提供新的解決方案。圍繞著這個(gè)目的,本論文主要開(kāi)展了以下工作:
　　 (1)首次使用了一種新型表面活性劑——雙子表面活性劑(Gemini)作為毛細(xì)管動(dòng)態(tài)涂層來(lái)控制電滲(EOF)和抑制堿性蛋白質(zhì)的管壁吸附。這類新型表面活性劑具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu),一個(gè)分子中包含兩條疏水的烷基鏈和兩個(gè)親水基團(tuán),這

3、賦予了它很多優(yōu)于傳統(tǒng)表面活性劑的性質(zhì),如更低的CMC、更好的表面活性、更好的水溶性等。我們發(fā)現(xiàn)這種新型的Gemini表面活性劑具有比傳統(tǒng)單鏈表面活性劑更強(qiáng)的EOF控制能力,而且在校寬的pH范圍內(nèi)(pH3～6)都能得到高效、快速的蛋白質(zhì)分離(分離效率N＞300000plates/m)。該動(dòng)態(tài)涂層還可以適用于復(fù)雜生物樣品分析。這個(gè)工作初步揭示了Gemini表面活性劑這類新型兩親材料在CE中的應(yīng)用潛力。
　　 (2)Gemini動(dòng)態(tài)涂

4、層雖然簡(jiǎn)單易用,但是動(dòng)態(tài)涂層需要在電泳緩沖液中添加表面活性劑,這可能會(huì)對(duì)分離和檢測(cè)造成影響。因此,我們?cè)谏弦粋€(gè)工作的基礎(chǔ)上,合成了疏水鏈更長(zhǎng)的Gemini表面活性劑,使動(dòng)態(tài)涂層轉(zhuǎn)變?yōu)榘胗谰猛繉?從而可以避免動(dòng)態(tài)涂層添加劑對(duì)分離和檢測(cè)造成的干擾。得到的Gemini半永久涂層具有良好的穩(wěn)定性,且堿性蛋白質(zhì)的分離效率比動(dòng)態(tài)涂層更高(N＞500000 plates/m)。該半永久涂層的制備方法非常簡(jiǎn)單,只需用Gemini溶液沖洗毛細(xì)管即可。而且

5、,我們發(fā)現(xiàn)Gemini的聯(lián)接基的長(zhǎng)度可以作為調(diào)節(jié)EOF和分析物淌度的工具,這也提供了一種新的不依賴于緩沖組成的EOF調(diào)控方法。
　　 (3)雖然半永久涂層在抑制蛋白質(zhì)管壁吸附方面非常有效,但是涂層的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步強(qiáng)化。因此,我們接下去開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)便、通用的方法來(lái)增強(qiáng)Gemini半永久涂層的穩(wěn)定性。這種方法是通過(guò)往陽(yáng)離子表面活性劑涂層中添加少量帶相反電荷的陰離子表面活性劑SDS來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SDS能夠非常顯著地改變陽(yáng)離子表面活性劑

6、的堆積參數(shù),從而可以調(diào)節(jié)涂層的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。在最優(yōu)的SDS濃度時(shí),可以得到非常牢固的半永久毛細(xì)管涂層。在穩(wěn)定性增強(qiáng)的同時(shí),這種陰/陽(yáng)離子混合表面活性劑涂層同樣可以非常有效地抑制堿性蛋白質(zhì)的管壁吸附。這種方法簡(jiǎn)便易操作,而且適用于所有陽(yáng)離子表面活性劑涂層。
　　 (4)在上面分離堿性蛋白質(zhì)的工作的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了可用于同時(shí)分離酸性和堿性蛋白質(zhì)的分析方法。我們發(fā)現(xiàn)使用長(zhǎng)鏈Gemini表面活性劑作為緩沖添加劑,可以有效地同時(shí)抑

7、制酸性和堿性蛋白質(zhì)在毛細(xì)管壁的吸附,而且表面活性劑的用量(0.1mM)大大低于傳統(tǒng)表面活性劑。有趣的是,改變Gemini的聯(lián)接基的長(zhǎng)度能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)的電泳淌度進(jìn)行一定的調(diào)節(jié),從而對(duì)分離的選擇性進(jìn)行優(yōu)化。該分析方法可適用于復(fù)雜的生物樣品分析。
　　 (5)在蛋白質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步將Gemini涂層的應(yīng)用對(duì)象擴(kuò)展到了無(wú)機(jī)離子。CE中的無(wú)機(jī)陰離子分離一直是一個(gè)難題。我們使用Gemim半永久涂層在水-有機(jī)混合溶劑中進(jìn)行了無(wú)機(jī)陰離子

8、的分離。Gemini半永久涂層在40％v/v有機(jī)溶劑存在的情況也能保持很好的穩(wěn)定性,這極大地?cái)U(kuò)展了這類新型涂層材料的應(yīng)用領(lǐng)域和環(huán)境。更重要的是,我們發(fā)現(xiàn)改變Gemini聯(lián)接基長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)和優(yōu)化陰離子的分離度。這種優(yōu)化方法與使用有機(jī)溶劑相比,優(yōu)點(diǎn)在于它不會(huì)導(dǎo)致EOF下降和分離時(shí)間的延長(zhǎng)。
　　 上面這些工作構(gòu)建了一套完整的基于Gemini表面活性劑的CE分析體系,包括了用于動(dòng)態(tài)涂層、半永久涂層和緩沖添加劑,包括了不同的分析對(duì)象,也

9、包括了水相和非水相的應(yīng)用環(huán)境。
　　 (6)在蛋白質(zhì)分析的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步開(kāi)發(fā)可用于復(fù)雜蛋白組樣品分析的陽(yáng)離子膠束CE方法,這也是首次報(bào)道基于陽(yáng)離子表面活性劑的CE方法在實(shí)際樣品中的應(yīng)用。為了論證方法的普適性,我們使用了普通的陽(yáng)離子表面活性劑CTAB作為緩沖添加劑,成功地進(jìn)行了復(fù)雜生物樣品如血漿和血紅細(xì)胞樣品的分析,以及蛋白酶解產(chǎn)物和細(xì)胞的全蛋白粗提物的分析。結(jié)果證明陽(yáng)離子膠束CE具有簡(jiǎn)單、高效、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn),是一種非常有前

10、景的蛋白質(zhì)分析方法,并有望在將來(lái)的蛋白組學(xué)研究中發(fā)揮作用。
　　 (7)在以上工作的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步將新型納米材料與Gemini表面活性劑結(jié)合起來(lái),用于CE蛋白質(zhì)分析和生物樣品分析。我們首先報(bào)道了一種新的金納米粒子合成方法,使用Gemini作為納米金合成的保護(hù)試劑,調(diào)節(jié)Gemini的聯(lián)接基長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金粒徑及粒徑分布的控制。然后我們將合成的這種納米材料作為CE的緩沖添加劑用來(lái)同時(shí)分離酸性和堿性蛋白質(zhì),結(jié)果表明納米粒子的加

11、入可以進(jìn)一步提高蛋白質(zhì)分離效率。這種Gemini保護(hù)的金納米粒子結(jié)合了Gemini和納米金二者在CE中的優(yōu)點(diǎn),因此成為一種很好的分離材料。
　　 (8)我們接下去考察了另一類新型兩親材料——氨基酸離子液體在CE中的應(yīng)用。我們首次將氨基酸離子液體用于CE手性分離中的手性配體,發(fā)現(xiàn)這類新型配體可以提供比傳統(tǒng)的氨基酸配體更高的手性選擇性。我們還進(jìn)行了HPLC實(shí)驗(yàn)與CE實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,基于對(duì)比的結(jié)果對(duì)分離機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討。該工作表明氨

12、基酸離子液體是一類優(yōu)秀的手性配體,并揭示了這類新型離子液體在手性分離上的巨大的應(yīng)用潛力。
　　 (9)在上面的使用新型材料來(lái)開(kāi)發(fā)CE新分析方法的同時(shí),我們也在思考是否能夠使用CE來(lái)作為材料學(xué)中的一種表征手段,反過(guò)來(lái)促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展。因此,在本論文最后的工作中,我們嘗試了將CE用于監(jiān)測(cè)納米材料和聚電解質(zhì)的層層組裝。陽(yáng)離子聚電解質(zhì)和金納米粒子在毛細(xì)管壁的層層組裝導(dǎo)致毛細(xì)管壁的表面電荷發(fā)生改變,產(chǎn)生同步的EOF變化,因此EOF可以作

13、為監(jiān)測(cè)組裝過(guò)程中的探針。通過(guò)監(jiān)測(cè)EOF變化,我們可以得到組裝的動(dòng)力學(xué)參數(shù),并且可以對(duì)組裝過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化。這個(gè)工作提供了一種新工具——毛細(xì)管電泳——用于多層膜的研究,同時(shí)也擴(kuò)展了CE在材料學(xué)方面的應(yīng)用,展示了CE在分析分離以外的領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
　　 總之,本論文致力于將新型兩親和納米材料應(yīng)用于毛細(xì)管電泳分析,來(lái)解決CE分析中的一些瓶頸問(wèn)題和開(kāi)發(fā)新的分析方法。這些新材料的利用為CE的發(fā)展打開(kāi)一扇新的窗口,賦予了CE新的生命