基于液滴微流控的纳流液相色谱柱技术

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随着人们对生命科学的深入探索,高度复杂的生物样品对分离分析技术提出了更高的要求,nanoLC-MS(纳流液相色谱-质谱)是复杂生物样品分析的首选方法,但制备高分辨的纳流液相色谱柱仍然存在挑战。传统的高压匀浆制柱方法使用填料匀浆液直接进行高压填充,填充过程中填料易团聚沉降,导致柱床填充不均一,降低色谱柱的柱效和制柱效率,尤其在长柱制备方面存在较大的技术障碍。虽然已有研究对传统匀浆填充的实验参数进行优化,但始终无法从根本上解决这一问题,因此亟需发展新的色谱柱制备技术。本论文基于液滴微流控技术,发展了一种新型纳流液相色谱柱制备技术,将液滴作为动态、均一、相互独立的纳升级匀浆罐,从根本上解决了填料易沉降团聚的问题,克服了高浓度匀浆液使用时由于填料沉降团聚造成的大空隙问题,大幅提升制柱效率,同时获得均一紧实的柱床,有利于常规高分辨纳流液相色谱柱和纳流液相色谱长柱的制备,为复杂生物样品的高分辨分离需求提供了强有力的分析方法。本论文分为四章:第一章主要对纳流液相色谱柱和液滴微流控技术进行了综述,介绍了纳流液相色谱长柱的发展与应用,对蛋白质组学分析过程中质谱前端的分离技术进行了简要介绍,并提出了本论文的研究设想。第二章介绍了基于液滴微流控的纳流液相色谱柱制备技术,采用毛细管搭建液滴微流控平台,以填料匀浆液为分散相生成液滴,收集并储存在数米长的毛细管中,再进行高压填充,从而形成均一紧实的柱床。对液滴微流控平台进行了优化,保证匀浆液滴的长时间稳定生成和收集,对填料在预组装液滴中的分布情况、柱床形成过程、柱床形貌进行了表征,验证了这一方法的可行性,并使用此方法探索制备了 3 m、5 m、10 m超长纳流液相色谱柱。第三章对基于液滴微流控填充的纳流液相色谱柱性能进行了详细全面的评价。探究了填料匀浆液浓度对色谱柱柱效的影响,20、100、180 mg/mL匀浆液填充的色谱柱最高理论塔板数依次为98500、100500、106900 m-1,对比传统高压匀浆法填充的色谱柱分别提高了 0.6%、2.7%、9.2%;探究了 10-200 cm范围内柱长对柱效的影响,N(m-1)整体平稳,N(每柱)随色谱柱长度的增加呈线性增长的趋势;探究了所制备色谱柱的动力学性能,在高浓度匀浆液180 mg/mL条件下、基于液滴微流控填充的色谱柱具有更优的动力学性能;探究了所制备色谱柱的复杂生物样品分析性能,以HeLa细胞蛋白酶解物为样品,10 cm短柱(填料粒径5 μm)显示出与商品化纳流柱(Waters,填料粒径1.7 μm)相当的分析性能,150cm长柱和500cm长柱的多肽分离性能显著提升,150cm柱鉴定肽段数和蛋白质数分别提升了 75.0%和38.4%,500 cm柱鉴定肽段数和蛋白质数分别提升了 261.0%和82.3%。结果证明长柱具有更高的分辨率,能够显著降低质谱对多肽组分的漏检率,多肽的检出数量显著提升,多肽鉴定数和蛋白鉴定数大幅增加,数据的可信度也更高,对于蛋白质组学研究具有重要意义。第四章对本论文的研究工作进行了总结和展望。
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