[发明专利]时空分辨检测芯片电泳装置及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种时空分辨检测芯片电泳装置及其在生物分子相互作用分析方面的应用。

背景技术

检测是分析仪器的核心之一。许多分析仪器的进步和革新依赖于检测原理和检测技术的创新。对于高效液相色谱（HPLC）和毛细管电泳（CE）等分析仪器，最常用的检测器是紫外吸收检测器、质谱（MS）和激光诱导荧光（LIF）等，并且这些检测器通常被放置于分离柱之后或柱上的某一点，即“单点检测”。对于单点检测，被分析物只有到达检测器时才能得到相应的信号。尽管单点检测能满足通常的分析任务，但却存在以下缺点：一、很多情况下，被分析物在分离柱内很快得到分离，但仍必须要等到它们到达检测期才能得到检测，因而增加了不必要的等待时间；二、更为重要的是，单点检测无法提供被分析物在分离柱内的信息，而这种信息对分离机理或迁移机理的研究等方面十分重要。

在“单点检测”的基础上，又发展出几种较为新颖的检测方法：（1）全柱检测（WCD）（参见Anal.Chem.1989,61,2624-2630）。该方法在玻璃质的色谱柱上等距离平行放置一系列光二极管并置以一长度匹配的黑光灯作为光源来实时监测柱内的情况，提供多种信息。但是，高效液相色谱通常使用不透光的不锈钢柱，全柱检测基本没有适用价值。（2）全柱扫描检测（WCSD）（参见Anal.Chem.1992,64,1745-1747）。该方法主要用于毛细管等电聚焦（CIEF）模式，移动已经完成毛细管等电聚焦分离的毛细管使其通过单点检测器或者移动检测器扫描整根毛细管，该方法可以避免单点检测的毛细管等电聚焦中因为移动已聚焦的区带而产生的分辨率下降，但是无法避免毛细管管壁的不均匀性导致的高噪音。（3）部分柱成像检测（PCID）（参见Electrophoresis 2002,23,2048-2056）。该方法是毛细管电泳中的一种特殊检测方式，在检测端开一具有一定宽度的检测窗口并采用相应的光学部件和检测器，如电荷耦合装置（CCD）等，对该部分柱内的情况进行实时监测。但是，该检测方法无法对整个分离柱的动态情况进行实时监测。（4）全柱成像检测（WCID）（参见Am.Biotechnol.Lab.1999,17，24-26）。该方法主要用于毛细管等电聚焦等毛细管电泳模式，其分离通道为整个光透明的毛细管或芯片通道（通常5cm长），采用一CCD对整个通道进行实时检测。全柱成像检测可以对分离通道内的不同位置的情况进行实时监测，能够全面对分离情况进行评价，给出比较丰富的信息。刘震等观察到全柱成像检测具有一定的时间分辨和空间分辨特性，并提出了时空分辨检测的概念（参见Anal.Chem.2007,79，1097-1100）。时空分辨的特性使得检测器具有更强大的功能，能够在任意时间检测分离通道内的任意位置上发生的“分子事件”，能够提供时间维度和空间维度的信息，特别适合于生物分子相互作用等的动力学过程的研究。然而，全柱成像检测不是根据时空分辨检测的需要而设计的，其时间分辨率和空间分辨率都不高。因此，非常有必要针对时空分辨的需求设计出同时具有时间分辨和空间分辨的检测系统和相应的分析仪器。

发明内容

本发明针对目前用于毛细管电泳、高效液相色谱和芯片电泳等仪器和装置中的检测器的没有同时具有时间分辨和空间分辨、或者有但时间分辨率和空间分辨率低的现状，发明出时空分辨检测器以及相应的时空分辨分析仪器装置，并展现了其独特的性能。

本发明的核心为：以具有较短长度（2-5厘米）、光透明的毛细管或芯片通道为分离通道，利用一线性光源照射整个分离通道，并利用一传感器物理尺寸大于或等于分离通道长度的、具有低像素尺寸和高数据读取频率的线阵或面阵主动像素传感器，如CCD、互补金属氧化物半导体（CMOS）或光二极管阵列（PDA），检测光经过整个分离通道后的光吸收等信号。由于在分离通道任意位置上均有一与其对应的传感单元，该检测器能检测分离通道内的任意位置上发生的“分子事件”，具有空间分辨。由于该检测器具有快速数据读取频率，能连续检测不同时间上发生的“分子事件”，因而具有时间分辨。

具有高时间分辨率的CCD作为检测部件，可以对快速过程进行实时检测；所采用的CCD模块和电泳芯片尺寸相当，即单位面积的芯片所对应的CCD模块的像素大大提高，可以在空间平面上进行较高的分辨，从而可以采用时空分辨的模式对于芯片电泳进行实时监测。

本发明的技术方案如下：