[发明专利]基于硅凝胶氧化石墨烯复合膜的蛋白酶解微流控芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于硅凝胶氧化石墨烯复合膜的蛋白酶解微流控芯片及其制备方法。

背景技术

石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其他碳素材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元。自从2004 年英国Manchester大学的Geim等人发现单层石墨烯以来^[1]，石墨烯受到了全世界科学家的广泛关注。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能纳电子器件、电池、电化学电容、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用^[2]。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象，具有重要的理论研究价值。过去几年中，石墨烯已经成为了备受瞩目的国际前沿和研究热点。目前，制备石墨烯的方法有机械剥离法、化学气相沉积法、石墨化学氧化剥离法等，其中第三种方法是目前制备氧化石墨烯和石墨烯最常用也是最经济的方法。将石墨用高锰酸钾等强氧化剂氧化，然后通过超声剥离得氧化石墨烯，其基本结构是表面带有羧基、羟基、羰基和环氧基的碳的单原子层，其含有丰富的含氧官能团^[3]，在水中分散良好，容易与其它水溶性材料复合。由于氧化石墨烯含丰富的官能团，可通过化学修饰的方法制备石墨烯衍生物，甚至可与酶和蛋白等生物大分子共价键结合，在构建微流控芯片生化微反应器方面具有得天独厚的优势，目前，尚未见有关报道。

自从瑞士 Ciba-Geigy公司的Manz和Widmer ^[4]首次提出微型全分析系统（μ-TAS）以来，微流控芯片就以其高效、快速、试剂用量少、低耗以及集成度高等优点引起了国内有关专家的广泛关注，在其方法学研究迅速发展的基础上，微流控芯片在生物医学研究、临床诊断、药物分析、环境监测、法医和军事等领域显示了良好的应用前景^[5-7]。

微流控芯片以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为目前主要应用对象，是当前微全分析系统领域发展的重点。微流控芯片是把生物、化学、医学分析过程的采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块几个平方厘米大的芯片上， 自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大应用潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等多学科交叉的崭新研究领域。

微流控芯片微流通道尺寸在微米级，是纳升到微升级小体积样品的理想操作和分析平台，特别适用于生物医药分析和临床检测小体积样品的酶法和免疫法分析和检测。其中一个很重要的用途是用于蛋白质的酶解和分析。蛋白质酶解是蛋白组学中蛋白质分析的一个关键步骤，待测样品中的蛋白通过电泳分离后用蛋白水解酶水解成肽，然后用质谱测定其分子量得肽质量图谱，经检索有关数据库后完成蛋白鉴定。传统的溶液酶解灵敏度低且耗时（12小时以上），加上蛋白水解酶自身酶解产生的肽也会干扰目标蛋白的鉴定，所以溶液酶解时蛋白和酶的比例通常要求在20-40:1，以降低游离蛋白酶自身酶解的干扰，但由于蛋白酶浓度低，酶解效率不高，所以建立高效快速的新型蛋白质酶解方法具有重要意义。

解决上述问题的主要途径就是使用固定化酶技术，通常使用的微流控芯片酶反应器是将蛋白酶如胰蛋白酶通过溶胶-凝胶包埋^[8,9]技术固定在微流控芯片通道内表面。存在的问题是由于酶不是通过共价键固定，容易流失，影响酶解效果。

参考文献

[1] Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, et al. Science 2004, 306, 666-669.

[2] Martin P. Chem. Re., 2009, 9, 211-223.

[3] Compton OC, Nguyen ST. Small 2010, 6, 711-723.

[4] Manz A, Graber N, Widmer HM. Sens. Actuators B 1990, 1, 244-248.

[5] Dittrich, PS, Tachikawa K, Manz A. Anal. Chem. 2006, 78, 3887-3908. 

[6] Auroux PA, Iossifidis D, Reyes DR, and Manz A. Anal. Chem. 2002, 74, 2637-2652.