基于新型兩親與納米材料的毛細管電泳分析.pdf

1、毛細管電泳(CE)是一種強大的分離分析工具,曾在人類基因組學(xué)中發(fā)揮過重大作用。雖然目前CE的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,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。一些瓶頸問題(如蛋白質(zhì)分析中的管壁吸附問題)目前仍沒有很好的解決辦法,這嚴重制約了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的發(fā)展為各行各業(yè)帶來了巨大的變革。新材料帶來新性能的同時也為分析科學(xué)帶來了解決問題的新工具。本論文工作旨在立

2、足于毛細管電泳與材料科學(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。圍繞著這個目的,本論文主要開展了以下工作:
　　 (1)首次使用了一種新型表面活性劑——雙子表面活性劑(Gemini)作為毛細管動態(tài)涂層來控制電滲(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特的分子結(jié)構(gòu),一個分子中包含兩條疏水的烷基鏈和兩個親水基團,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)。該動態(tài)涂層還可以適用于復(fù)雜生物樣品分析。這個工作初步揭示了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動態(tài)涂

4、層雖然簡單易用,但是動態(tài)涂層需要在電泳緩沖液中添加表面活性劑,這可能會對分離和檢測造成影響。因此,我們在上一個工作的基礎(chǔ)上,合成了疏水鏈更長的Gemini表面活性劑,使動態(tài)涂層轉(zhuǎn)變?yōu)榘胗谰猛繉?從而可以避免動態(tài)涂層添加劑對分離和檢測造成的干擾。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)的分離效率比動態(tài)涂層更高(N＞500000 plates/m)。該半永久涂層的制備方法非常簡單,只需用Gemini溶液沖洗毛細管即可。而且

5、,我們發(fā)現(xiàn)Gemini的聯(lián)接基的長度可以作為調(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)定性還有待進一步強化。因此,我們接下去開發(fā)了一種簡便、通用的方法來增強Gemini半永久涂層的穩(wěn)定性。這種方法是通過往陽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來實現(xiàn)的。SDS能夠非常顯著地改變陽離子表面活性劑

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,可以得到非常牢固的半永久毛細管涂層。在穩(wěn)定性增強的同時,這種陰/陽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。這種方法簡便易操作,而且適用于所有陽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,我們進一步開發(fā)了可用于同時分離酸性和堿性蛋白質(zhì)的分析方法。我們發(fā)現(xiàn)使用長鏈Gemini表面活性劑作為緩沖添加劑,可以有效地同時抑

7、制酸性和堿性蛋白質(zhì)在毛細管壁的吸附,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)接基的長度能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)的電泳淌度進行一定的調(diào)節(jié),從而對分離的選擇性進行優(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,我們進一步將Gemini涂層的應(yīng)用對象擴展到了無機離子。CE中的無機陰離子分離一直是一個難題。我們使用Gemim半永久涂層在水-有機混合溶劑中進行了無機陰離子

8、的分離。Gemini半永久涂層在40％v/v有機溶劑存在的情況也能保持很好的穩(wěn)定性,這極大地擴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)化方法與使用有機溶劑相比,優(yōu)點在于它不會導(dǎo)致EOF下降和分離時間的延長。
　　 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,包括了用于動態(tài)涂層、半永久涂層和緩沖添加劑,包括了不同的分析對象,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,我們進一步開發(fā)可用于復(fù)雜蛋白組樣品分析的陽離子膠束CE方法,這也是首次報道基于陽離子表面活性劑的CE方法在實際樣品中的應(yīng)用。為了論證方法的普適性,我們使用了普通的陽離子表面活性劑CTAB作為緩沖添加劑,成功地進行了復(fù)雜生物樣品如血漿和血紅細胞樣品的分析,以及蛋白酶解產(chǎn)物和細胞的全蛋白粗提物的分析。結(jié)果證明陽離子膠束CE具有簡單、高效、重現(xiàn)性好等優(yōu)點,是一種非常有前

10、景的蛋白質(zhì)分析方法,并有望在將來的蛋白組學(xué)研究中發(fā)揮作用。
　　 (7)在以上工作的基礎(chǔ)上,我們進一步將新型納米材料與Gemini表面活性劑結(jié)合起來,用于CE蛋白質(zhì)分析和生物樣品分析。我們首先報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試劑,調(diào)節(jié)Gemini的聯(lián)接基長度可以實現(xiàn)對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的緩沖添加劑用來同時分離酸性和堿性蛋白質(zhì),結(jié)果表明納米粒子的加

11、入可以進一步提高蛋白質(zhì)分離效率。這種Gemini保護的金納米粒子結(jié)合了Gemini和納米金二者在CE中的優(yōu)點,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。我們還進行了HPLC實驗與CE實驗進行對比,基于對比的結(jié)果對分離機理進行了詳細的探討。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開發(fā)CE新分析方法的同時,我們也在思考是否能夠使用CE來作為材料學(xué)中的一種表征手段,反過來促進材料科學(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)測納米材料和聚電解質(zhì)的層層組裝。陽離子聚電解質(zhì)和金納米粒子在毛細管壁的層層組裝導(dǎo)致毛細管壁的表面電荷發(fā)生改變,產(chǎn)生同步的EOF變化,因此EOF可以作

13、為監(jiān)測組裝過程中的探針。通過監(jiān)測EOF變化,我們可以得到組裝的動力學(xué)參數(shù),并且可以對組裝過程進行詳細的優(yōu)化。這個工作提供了一種新工具——毛細管電泳——用于多層膜的研究,同時也擴展了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)用于毛細管電泳分析,來解決CE分析中的一些瓶頸問題和開發(fā)新的分析方法。這些新材料的利用為CE的發(fā)展打開一扇新的窗口,賦予了CE新的生命