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Nature报道一种新型电泳技术:液晶电泳

作者: 来源: 2018-01-22 我要评论( )

来自美国肯特州立大学(Kent State University)的研究人员发现了一种新型电泳技术:向列液晶(nematic liquid crystal)电泳技术,这一技术未来也许将为生命科学领域提供新颖的分

生物通报道:来自美国肯特州立大学(Kent State University)的研究人员发现了一种新型电泳技术:向列液晶(nematic liquid crystal)电泳技术,这一技术未来也许将为生命科学领域提供新颖的分离技术,这一研究成果公布在Nature杂志上。

电泳技术是指带粒子在电场中向与自身带相反电荷的电极移动的现象。在生命科学领域,常利用电泳技术在惰性支持介质(如纸、醋酸纤维素、琼脂糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶等)中,于电场的作用下,向其对应的电极方向按各自的速度进行泳动,使组分分离成狭窄的区带,从而用适宜的检测方法记录其电泳区带图谱或计算其百分含量的方法。

早在20试剂30年代,诺贝尔奖获得者、瑞士化学家Arne Tiselius教授就利用电泳现象发明了最早期的界面电泳,用于蛋白质分离的研究,从而开创了电泳技术的新纪元,此后,各种电泳技术及仪器相继问世,在生物化学实验技术中占据了重要地位。

在最新的这篇文章中,研究人员发现了一种液晶电泳技术,这种新方法利用一种各向异性流体作为载体,它是一种“向列(线性)液晶”,能让带电粒子和不带电粒子以完美的对称性在交流或直流电场中运动,采用交流电场在一些应用中有实际优势。这种新型电泳是粒子周围液晶趋向的改变引起的,而不是由粒子本身上发生的一种效应引起的。

向列液晶(nematic liquid crystal)是一种透明或者半透明的液体,它能使通过液体的光波发生偏振,以改变这些光波的路径。这种偏振的范围取决于外加的电场强度。向列来自希腊词头nemato,它的意思是丝线状的,用在这里是因为液体分子排列是成线状的。向列液晶用于普通液晶显示器使用的扭曲向列显示技术。由于它们的光传输性能和加载的外部电压成正比,向列液晶可以用在电子表和许多其他的消费电子设备中做字符液晶显示器(LCD)。

(生物通:万纹)

附:

自从1946年瑞典物理化学家Tiselius教授研制的第一台商品化移界电泳系统问世以来,在近半个多世纪的时间里,电泳技术发展极其迅速。基于电泳原理的各种仪器设备不断问世,特别是20世纪80年代后, 许多自动化电泳仪器相继为临床实验室所采用,电泳技术已成为基础医学和临床医学研究的重要工具之一。 目前,该技术已广泛用于蛋白质、多肽、氨基酸、核苷酸、有机物、无机离子等的分离和鉴定,甚至病毒与细胞的研究。特别是电泳所用支持介质由流动相改为固相支持物后,各种各样的电泳分析装置不断推出以适应不同教学、临床和科研工作的需要。当今,电泳技术与质谱技术联用在后基因组学研究中,正发挥者着巨大的作用,为临床检验的发展带来新的生机与活力。

电泳分析仪
电泳分析仪可分为两大类:临床实验室常规类,如全自动荧光/可见光双系统电泳仪、全自动醋纤膜电泳仪、全自动琼脂糖电泳仪和全自动琼脂糖电泳仪;科研为主兼做临床样本类,如双向电泳及双向电泳2液相色谱2质谱联用、高效毛细管电泳及高效毛细管电泳2质谱联用、高效毛细管芯片电泳、DNA测序系统。

1. 全自动荧光/可见光双系统电泳仪:具有荧光/可见光双系统,在使用荧光试剂项目如肌酸激酶(CK) 、乳酸脱氢酶(LD)同工酶时为全自动。只需将样品、试剂、琼脂糖凝胶电泳胶片放好后,操作人员可离机完成试验并得到结果,此为全自动电泳仪。但是使用可见光项目如蛋白电泳,中途人员需返回,将电泳胶片由电泳槽放入染色系统中才可完成试验。而最大优点是荧光系统全自动且灵敏度高,准确度高并且采用高压、低温系统,只需要20 min即可完成电泳分析,速度非常快。

2. 全自动醋纤膜电泳仪:为可见光单系统,使用醋纤膜电泳片。自动化程度高,只需将样品、试剂、电泳片放好,人员可离机完成试验得到结果。但是因为使用醋纤膜致使灵敏度低,无法分析尿蛋白/脑脊液蛋白,对同工酶分析效果也不理想,多半实验室只用于血清蛋白电泳分析。

3. 全自动琼脂糖电泳仪:为可见光单系统,使用琼脂糖凝胶电泳胶片。优点为灵敏度高,可使用于低浓度蛋白检验,如尿蛋白及脑脊液蛋白。而同工酶的分离效果也相当不错。但缺点为自动化程度较差,当电泳结束和染色脱色完成后,工作人员必须将电泳片由机器中取出,对实验室较为麻烦。但是因为这类仪器所能做项目比较多,且灵敏度较高仍为许多实验室所接受。

4. 全自动电泳分析系统:集上述仪器的优点,自动点样、电泳、呈色(或染色、脱色) 、烘干。可用各种电泳片,包括琼脂片、醋酸片、聚丙烯酰胺等,采用可见光及荧光呈色双系统,是一种较理想的电泳仪。

5. 双向电泳及双向电泳2液相色谱2质谱联用:双向电泳第一向为等电聚焦,第二向为梯度十二烷基磺酸钠( SDS)电泳。样品经过电荷与质量两次分离后可得到分子的等电点、分子量等信息,这是目前所有电泳技术中分辨率最高,信息量最多的技术,已成为分析复杂蛋白混合物的基本工具。自1975年,O′Farrel等建立这种技术后,已有许多改进,使得这一技术日趋完善。ISO2DALT系统的第一向是用管状凝胶,虽然分辨率高、上样量大、耐高盐等优点,但有阴极漂移而丢失碱性蛋白、载体两性电解质pH梯度不稳定、受电场和时间影响而重复性不好等缺点。20世纪80年代后期, Gorg等将固相pH梯度等电聚焦技术用作双向电泳的第一向,称为IPG2DALT。固相pH梯度等电聚焦没有阴极漂移, pH梯度稳定,分辨率高,重复性好,是目前流行的双向电泳技术。与传统的单向电泳方法最多只能分析100种蛋白质样品相比,双向电泳最多可分析5 000 ~ 10 000个蛋白点的图谱。双向电泳在分离蛋白混合样品,比较差异方面有不可替代的作用。当发现新的蛋白点时,将其切下再用液相色谱分离,与质谱联用,最后可鉴定新发现的蛋白质组分。

6. 高效毛细管电泳及高效毛细管电泳2质谱联用:高效毛细管电泳是以弹性石英毛细管为分离通道,以高压直流电场为推动力,依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的电泳分离分析方法。利用毛细管代替平板凝胶,分离效率得以提高。高效毛细管电泳的应用范围从小分子、无机离子到生物大分子,甚至整个细胞,从带电粒子到中性分子都可用高效毛细管电泳方法进行分析。目前,毛细管与质谱的接口难题已经解决,人们能利用毛细管电泳的高效分离能力与质谱的鉴定技术联用发挥其特殊功能,发现未知的化合物。尤其是阵列毛细管电泳仪已经问世,这将克服目前大多数商品化毛细管电泳仪只能进行单根毛细管电泳的缺陷,这种高通量的新方法将会给后基因组时代的基因分析带来革命性的变化。

7. 毛细管电泳芯片:利用毛细管电泳芯片可以进行DNA长度、序列和基因分型等分析,在临床检测,尤其在遗传病的诊断中具有重要意义。现在分离DNA,是利用芯片分离荧光标记的寡核苷酸,整个分离过程在45 s之内,而芯片的长度仅为318 cm。因为其可承载高电压(2 300 V / cm)并具有较小的样品体积,故有利于得到较好的分离效果。而用传统的毛细管电泳分离技术分离DNA样品,通常需要10~30 min,电压也只能加到500 V / cm。另外有人制作的用于高速DNA分离的芯片,有效长度仅为315 cm,分离从70~1 000bp的DNA 片断,时间在120 s以内。目前,高速、高通量的毛细管电泳芯片已经发展得比较完善。2002年笔者曾在瑞典召开的第十五届国际微量分离与分析会议上见到Caliper公司设计的DNA电泳芯片,即在一个光盘大小的芯片上有96个毛细管电泳阵列,分别与96个样品池相连,呈辐射状,并采用一个旋转的共聚焦荧光检测系统对信号进行检测。此系统可以同时对96个不同的样品进行分离,分离检测过程在8 min以内。

8. DNA测序系统:该系统利用凝胶毛细管的原理,将多道毛细管阵列设计,用4种不同的荧光染色标记4种核苷酸,在模板上合成DNA单链,然后在DNA外切酶的作用下进行碱基的连续水解和释放,用激光识别和记录释放的碱基。可用于DNA序列测定,杂合子自动检测,点突变分析,等位基因鉴定, SNP筛查,杂合性缺失检测,AFLP指纹图谱,微卫星DNA的不稳定性分析,基因表达,测序质量评估,序列比较等。20世纪90年代中期,测序仪重大改进,集束化的毛细管电泳代替凝胶电泳。2001年完成人类基因组框架图提前完成得益于多通道、集束化的毛细管凝胶电泳技术的出现。目前,在我国已有少数医院开始采用8 通道的DNA测序,系统开展用拉米夫定治疗乙型肝炎病毒(HBV)的YMDD突变检测。

原文摘要:

Nonlinear electrophoresis of dielectric and metal spheres in a nematic liquid crystal

Electrophoresis is a motion of charged dispersed particles relative to a fluid in a uniform electric field1. The effect is widely used to separate macromolecules, to assemble colloidal structures and to transport particles in nano- and microfluidic devices and displays2, 3, 4. Typically, the fluid is isotropic (for example, water) and the electrophoretic velocity is linearly proportional to the electric field. In linear electrophoresis, only a direct-current (d.c.) field can drive the particles. An alternating-current (a.c.) field is more desirable because it makes it possible to overcome problems such as electrolysis and the absence of steady flows5, 6. Here we show that when the electrophoresis is performed in a liquid-crystalline nematic fluid, the effect becomes strongly nonlinear, with a velocity component that is quadratic in the applied voltage and has a direction that generally differs from the direction of linear velocity. The new phenomenon is caused by distortions of the liquid-crystal orientation around the particle that break the fore–aft (or left–right) symmetry. The effect makes it possible to transport both charged and neutral particles, even when the particles themselves are perfectly symmetric (spherical), thus allowing new approaches in display technologies, colloidal assembly and separation, microfluidic and micromotor applications.

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液晶电泳

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