“掌上HSCE，把电泳捧在手心里”——浙大团队在微型分析仪器研制方面再创新高

　　近日，浙江大学方群教授研究组研制出一台可完全手持并独立工作的高速毛细管电泳分析仪，这是迄今为止国际上尺寸最小的基于激光诱导荧光检测的高速毛细管电泳分析仪，该成果以“A Low-Cost Palmtop High-Speed Capillary Electrophoresis Bioanalyzer with Laser Induced Fluorescence Detection”为题发表在学术期刊“SCIENTIFIC REPORTS”上，并得到separationNOW.com网站的亮点报道。

掌上高速毛细管电泳生化分析仪外观

　　高速毛细管电泳(High-speed capillary electrophoresis, HSCE)技术自1991年被提出以来，因其快速、高效又耗样量少的特点，在分析化学领域得到快速发展。近年，即时检测(Point-of-Care Testing, POCT)、环境监测、现场勘查和空间探测等领域的发展对分析仪器的微型化和自动化水平提出了更高的要求，借助于微流控技术的发展、电子元件的集成，小型化也成为HSCE系统的一个重要发展方向。

　　麻雀虽小五脏全，极简策略显神通

　　这款掌上HSCE分析仪整体尺寸仅为90 mm×75 mm×77 mm(长×宽×高)，重300 g，成本只有约3500元。体积虽小，但内部却集成了缺口管阵列自发进样模块、毛细管电泳模块、正交型激光诱导荧光检测模块、高电压模块及电子电路控制模块这五大部分。在该仪器研制过程中，采用了“极简微型化”的策略，即基于对仪器分析原理的本质化理解和前期基础研究的成果对仪器进行最大程度的简约化系统设计，保留核心功能，删减暂不必要的次要功能，同时充分借用其他学科领域内低成本的商品化元器件构建仪器系统，达到简化系统结构、缩小仪器体积、大幅降低仪器成本的目的，同时在分析性能上仍可达到与常规分析系统相当的水平。

　　该研究组之前发展的具有自主知识产权的缺口管阵列自动进样技术、皮升级平移自发进样技术、斜45°检测正交型激光诱导荧光检测技术等，为微型化HSCE分析仪的研制提供了坚实的基础。而极简微型化策略和低成本元器件的采用，以及对仪器电子电路的最大程度的集成与优化共同促进了这款微型化仪器的出台。利用在淘宝网上购买的数码相机自动对焦模块中使用的微型平移台，以及200 μL离心管，即可构建一个自动化的缺口管阵列自动进样系统，体积仅为传统平移台系统的百分之一，其移动距离可达到17 mm，定位精度达到10 μm，而其成本仅为20元。

　　在激光诱导荧光检测模块研制过程中，虽然遵从极简微型化策略而使用了小体积的405 nm激光二极管光源、光电二极管检测器和聚焦透镜，但通过采用独特的斜45°正交型光路以及对系统的深入优化和挖掘潜力，仍能保留较高的仪器检测性能，在S/N=3的条件下，对荧光素纳的检出限达到1.02×10-9 M，足以与部分使用光电倍增管的常规激光诱导荧光检测器相媲美。此外，通过采用自主设计和加工的整体型光路框架可将激光光源、激光聚焦透镜、毛细管支架与对准装置、荧光收集透镜、荧光滤光片、光电检测器等元件集成于一体，使得整个检测模块的体积仅为44 mm×42 mm×40 mm。

　　在毛细管电泳分离部分，利用缺口管进样系统和平移自发进样方法可实现90 pL的微体积进样，即不需采用昂贵和加工复杂的电泳芯片，只采用普通的短毛细管即可完成高速毛细管电泳分离操作。同时，利用微型化的高电压模块(22 mm×22 mm×22 mm)，可提供0 至 - 6000 V 的电泳电压。

　　熟悉分析仪器研制的人都知道，要实现分析仪器的微型化，仪器的电子控制系统是关键难点之一，电子控制系统需要实现荧光信号的实时采集和处理、图谱的实时显示及数据的保存。更为重要的是，要实现真正的掌上型应用，整个系统需要由小体积的电池供电，而分析仪中的激光二极管、微型平移台和电泳高压模块对电池来说均是耗电的大户。因此，系统除了选用超低功耗嵌入式微控制器实现了控制系统的集成化外，在降低功耗方面还做了很多努力，最终成功实现了仪器的电池供电，单块容量为1150 mA的锂电池可提供10小时以上的连续工作时间。

掌上高速毛细管电泳生化分析仪内部结构照片

　　分离模式多样化，仪器应用尤可期

　　该掌上HSCE分析仪以3.8 cm的毛细管作为分离通道，仅用7秒的时间即可完成3种氨基酸的电泳分离，在如此短的时间内不会形成明显的焦耳热效应，电泳分离可获得约1 μm 塔板高度的高分离效率。这台掌上HSCE不仅适用于氨基酸的毛细管区带电泳分离，也实现了手性氨基酸(D、L-亮氨酸和D、L-天冬氨酸)的胶束电动毛细管色谱快速分离，还实现了5 个DNA片段、3个蛋白质的毛细管凝胶电泳分离。该仪器还被应用于KRAS原癌基因诊断中的PCR产物和酶切产物实际样品的分析。电泳分离图谱直接显示在仪器外壳上的液晶显示屏上，并同步保存在MicroSD数据存储卡上，也可以通过蓝牙模块无线发送到手机或者平板电脑上进行实时监测。

掌上高速毛细管电泳分析仪在线分离结果照片

　　纵观当下的需求和这款掌上HSCE分析仪的性能特点，该仪器作为一个起点，将有助于开拓HSCE更多新的应用领域：几分钟的DNA片段分离有望取代繁琐耗时的平板凝胶电泳，在广大生化实验室中得到普及;用价廉易得的低成本毛细管取代电泳芯片，自动化的操作和四按键的便捷控制成为走进家庭的敲门砖，进而实现个体化健康管理和疾病预防;电池供电超长待机，这是一款行走的HSCE，借此进行床旁检测、传染病监控等指日可待。

　　该论文的第一作者为浙江大学化学系微分析系统研究所潘建章副研究员、方盼博士和方晓霞博士，通讯作者为浙江大学化学系微分析系统研究所方群教授。特别感谢国家自然科学基金(21435004，21227007和21027008等)对该项工作的支持!

　　SCIENTIFIC REPORTS文章链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41598-018-20058-0

　　separationNOW.com报道链接：http://www.separationsnow.com/details/ezine/161ada26e8d/Cheap-analysis-in-the-palm-of-your-hand-A-miniature-CE-device-made-with-off-the-.html