自制微流控芯片分析儀用于藥物分析實驗教學

劉 丹， 鐘偉軍， 徐新軍， 姚美村， 陳纘光

(中山大學 藥學院, 廣東 廣州 510006)

自制微流控芯片分析儀用于藥物分析實驗教學

劉 丹， 鐘偉軍， 徐新軍， 姚美村， 陳纘光

(中山大學 藥學院, 廣東 廣州 510006)

微流控芯片具有高效、快速、微量、微型化等技術特點。采用自主研制的簡易型微流控芯片分析儀測定賴氨酸顆粒劑中賴氨酸含量,將該實驗列為本科生藥物分析實驗課的教學內容,用較低的投入使學生掌握學科前沿技術與應用,取得了較好的實驗教學效果。

微流控芯片； 藥物分析； 實驗教學

藥物分析是應用化學、物理化學或生物學的方法和技術,研究化學結構已經明確的合成藥物或天然藥物及其制劑,以及代表性的中藥制劑和生化藥物及其制劑的質量控制方法[1]。在藥品質量控制、新藥研發等方面都發揮著至關重要的作用。藥物分析具有涉及面廣、內容多、實驗性強等特點,是一門實踐性、應用性很強的學科。在藥物分析課程的學習中學生不僅要學習相應的理論基礎知識，而且得到實驗技能的訓練[2-4]。

賴氨酸是人體必需氨基酸之一,能促進人體發育、增強免疫功能,并有提高中樞神經組織功能的作用。是世界上僅次于谷氨酸的第二大氨基酸品種。目前賴氨酸的分離檢測方法主要是用高效液相色譜法和茚三酮顯色法[5-8]，但這兩種方法分析成本高,操作復雜且分析時間長。

微流控芯片是近年發展起來的一種新型的分離分析技術。它將進樣、分離、檢測,以及化學反應、藥物篩選、細胞培養與分選等操作集成在幾平方厘米的芯片上進行,具有高效、快速、微量、微型化等特點[9-10]。本課題組采用自主研制的簡易型微流控芯片分析儀測定賴氨酸顆粒劑中賴氨酸的含量,目前在國內外尚未見報導。該方法快速、靈敏、低耗、樣品處理簡單、重現性好。從2010年起將“微流控芯片分析法測定賴氨酸顆粒劑中賴氨酸含量”實驗作為藥物分析實驗課的教學內容,用較低的投入使學生掌握學科前沿技術與應用,取得了較好的實驗教學效果。

1 實驗原理

目前的微流控芯片,主要為芯片毛細管電泳,其原理是以高壓電場為驅動力,以芯片毛細管為分離通道,依據樣品中各組分之間淌度和分配行為等的差異而實現高效、快速分離的一種分離分析新技術。

簡單的微流控芯片分析儀由高壓電源、芯片和電導檢測器組成。高壓電源提供進樣電壓和分離電壓。芯片設有進樣通道和分離通道。電導檢測器是較通用的檢測器,適用于荷電成分的檢測,本實驗室研制的非接觸式電導檢測器,電極與溶液不接觸,避免了電極污染中毒和高壓干擾等問題[11-12],而且芯片與檢測電極板之間相互獨立,更換和清洗操作非常方便。

2 實驗方案

2.1 儀器與試劑

儀器:微流控芯片分析儀(包括雙路高壓電源、非接觸式電導檢測器、十字通道芯片,均為中山大學藥學院研制)[13]；循環水式真空泵。

試劑:硝酸、氫氧化鈉、硼酸、乙二胺,均為分析純；L-賴氨酸對照品(中國計量科學研究院)；L-賴氨酸鹽酸鹽顆粒劑(上海衡山藥業有限公司)；實驗用水為超純水。

2.2 實驗方法

(1) 芯片的清洗:依次用0.2 mol/L 硝酸和超純水清洗 5 min。

(2) 芯片的活化:先用0.1 mol/L NaOH 活化 5 min,然后用超純水清洗 5 min,最后用緩沖溶液(硼酸與乙二胺的濃度(mmol/L)比為5∶15)平衡 5 min。

(3) 測定:先在芯片儲液池 a、c、e (見圖1)中加入運行緩沖溶液(硼酸與乙二胺濃度比為15∶5),再向樣品池b 中加入供試品或對照品溶液；將高壓電源的進樣電源正負極分別置于儲液池b和c中,分離電源正負極分別置于儲液池a和e中；開啟高壓電源進入進樣狀態,在b-c(進樣通道)之間加進樣電壓20 s(首次進樣足夠長時間,一般為20～30 s,使樣品達到b-c之間的分離通道a-e)；然后切換至分離電壓2.00 kV(可調)并同步啟動數據工作站進行記錄。重復進樣10 s,切換分離檢測并記錄。

圖1 微流控芯片分析儀示意圖

2.3 含量測定

(1) 對照品的測定:精密稱取L-賴氨酸對照品0.020 0 g,加超純水溶解并定容于10 mL容量瓶中,得濃度為2.00 g/L的對照品儲備液。取L-賴氨酸對照品儲備液(2.00 g/L),配成濃度為0.50×102、1.00×102、2.00×102、4.00×102、8.00×102、10.00×102mg/L的系列標準溶液,在相同的實驗的條件下,分別進樣,獲得電泳譜圖(見圖2)，曲譜圖測量賴氨酸峰面積。以所測量的系列標準溶液峰面積為縱坐標,濃度為橫坐標,繪制工作曲線并計算回歸方程。

圖2 L-賴氨酸對照品的微流控芯片毛細管電泳譜圖

(2) 樣品的測定:精密稱取適量供試品(約相當于賴氨酸 0.1 g),用超純水溶解,定容于100 mL容量瓶中,搖勻,濾過,精確取濾液2 mL,置10 mL量瓶中,用超純水稀釋至刻度,搖勻。在相同條件下進樣,測量賴氨酸的峰面積。將測得的樣品溶液峰面積代入回歸方程中,求得樣品溶液的濃度,并計算樣品中L-賴氨酸的含量。

3 開設本實驗課的意義

3.1 強化理論知識,鍛煉操作技能

將每班學生分成若干小組,每組4～5人,每組獨立開展實驗。各小組內學生既有分工又有合作,實驗結束后,要求每個學生獨立完成實驗報告。學生在報告中要說明電泳譜圖中各電泳峰先后出現的原因,各電泳峰的歸屬和成因。通過此次實驗課,學生普遍反映與單純的講授微流控芯片的理論知識相比,通過具體的實驗操作,對該儀器有了更清晰的認識,不但理解了儀器原理,掌握了操作步驟,還熟悉了圖形和數據的處理分析方法。

微流控芯片分析儀測定賴氨酸顆粒劑中賴氨酸含量的實驗中,影響實驗結果的因素較多。如電泳運行液的組成和濃度、分離電壓、進樣電壓、進樣時間等。

在這些影響因素中,有的涉及樣品的分離度,有的涉及分析方法的精密度和重現性，有的是關鍵因素,有的是次要因素[14]。在實驗過程中,通過引導學生改變參數觀察實驗結果,可以對這些影響因素有全面的認識。通過這樣的實踐,有助于樹立學生科學思維和嚴謹態度,鍛煉學生獨立思考能力。

3.2 加快了科研成果的轉化

微流控芯片分析儀是本課題組的科研成果,將其應用于本科實驗教學,加快了科技成果轉化進程。“微流控芯片分析法測定賴氨酸顆粒劑中賴氨酸含量”實驗從2010年開始作為藥物分析實驗課的教學內容,在多年教學實踐過程中,不斷完善教學方案,教學手段更加科學。隨著本課題組對微流控芯片分析儀研究的不斷深入,儀器性能更加穩定,將其應用于實驗教學,取得了較好的教學效果。

4 結語

藥物分析實驗課是藥物分析課程的重要組成部分,不僅是驗證、補充理論,而且對培養學生的科學思維方法、創新能力及全面掌握基本操作技能,全面推進素質教育有著重要的作用[15]。因此在設置課程內容時,應適當增加一些學生相對陌生而目前科研中較為熱點的現代分析儀器的使用,以提高學生的學習興趣和擴展學生的知識廣度[16]。本課題組根據自身優勢,將簡易型微流控芯片分析儀用于本科藥物分析實驗教學,從實驗儀器、教學內容、教學方法、技術革新方面使學生素質和創新能力培養有較大提升。該實驗具有效率高、試劑消耗少、分析成本低的優點,經過多年的實驗教學實踐,用較低的投入使學生掌握學科前沿技術與應用,得到學生的一致好評。

References)

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[2] 劉瑞華,李琳,朱元元.藥物分析實驗教學的思考和建議[J].實驗室科學,2011,14(2):60-62.

[3] 扈本全,王樹春,張宇潔,等.藥學專業《藥物分析實》實驗教學改革與探索[J].光譜實驗室,2013,30(4):1674-1675.

[4] 崔永霞,謝彩俠,白雁.“中藥制劑分析”實驗教學模式的改革[J].實驗室研究與探索,2009,28(10):106-107.

[5] 王艷芳,李琴,汪六英,等.高效液相色譜法測定葡萄糖酸鈣鋅口服液中鹽酸賴氨酸的含量[J].科學技術與工程,2012,12(34):9309-9312.

[6] 趙鑫,肖玉平,黃榮林,等.高效液相色譜法測定精氨酸中的賴氨酸[J].西北藥學雜志,2013,28(4):373-375.

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[8] 劉飛飛,李群,于嵐.茚三酮比色法定量檢測賴氨酸條件的研究[J].中國食品添加劑,2010(5)：223-225.

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[10] Lichtenberg J, de Rooij N F,Verpoorte E.Sample Pretreatment on Microfabricated Devices[J].Talanta,2002(2):233-266.

[11] 蔡自由,李永沖,陳纘光.微流控芯片測定鹽酸嗎啉呱片含量[J].藥物分析雜志,2011,31(8):1492-1495.

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[13] Chen Zuanguang, Li Quanwen, Li Oulian, et al. A thin glass chip for contactless conductivity detection in microchip capillary electrophoresis[J].Talanta, 2007(71):1944-1950.

[14] 謝天堯,劉丹,賴瑢,等.手性藥物對映體分離檢測的研究式開放實驗[J].大學化學,2014,29(6):38-40.

[15] 聞俊,周婷婷,洪戰英,等.基于創新能力培養的藥物分析實驗課程研究[J].基礎醫學教育,2013,15(3):263-266.

[16] 韓清娟,張惠靜,張夢軍,等. 藥學專業藥物分析實驗教學改革的思考和探索[J].西北醫學教育,2014,22(6):1170-1172.

Self-developed micro-fluidic chip analyzer applied to experimental teaching of pharmaceutical analysis

Liu Dan, Zhong Weijun, Xu Xinjun, Yao Meicun, Chen Zuanguang

(School of Pharmaceutical Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China)

Micro-fluidic chip has technical characteristics of high efficiency, celerity, micro-content and miniaturization. The self-developed simple micro-fluidic chip analyzer is used to detect the content of lysine in lysine granules. This experiment is listed as teaching content of the experimental course of Pharmaceutical Analysis for undergraduate students. With the relatively low input, the students can master the frontier technology and application so that good effect of the experimental teaching is achieved.

micro-fluidic chip; pharmaceutical analysis；experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.014

2016-06-01

廣東省“教學質量與教學改革工程”建設項目；中山大學實驗教學研究(改革)

資助

劉丹(1973— )，女，貴州黔西，碩士，實驗師，主要從事藥物分析.

E-mail：775894956@qq.com

陳纘光(1961—)，男，廣東陽江，博士，教授，研究方向為藥物分析.

E-mail：chenzg@mail.sysu.edu.cn

R917;G642.423

: B

: 1002-4956(2016)12-0053-03