馬新華，李曉麗，范獻軍，歐國榮，劉 楠，高志賢

一種低成本蛋白質(zhì)監(jiān)測與控制儀器裝置研制

馬新華，李曉麗，范獻軍，歐國榮，劉 楠，高志賢

目的：研制一種在離子交換色譜法蛋白質(zhì)純化中可對濃度進行監(jiān)測、并可控制換樣臂自動換樣的實用裝置，供研究室蛋白質(zhì)純化。方法：利用新型的紫外發(fā)光二極管為裝置提供所需的280 nm光源，高靈敏度的S1336（濱松）光電檢測器實時監(jiān)測石英流通池內(nèi)流過的純化后的蛋白質(zhì)液吸光情況，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)含量濃度的監(jiān)測、控制。原料液蛋白濃度過低需更換進樣時，裝置會發(fā)出人聲警報，自動停止工作。下位單片機通過激光紅外測距傳感器監(jiān)測蛋白收集杯的液面高度和當(dāng)前加樣臂所處位置，如單杯集滿，則自動移往下一空杯。儀器的主控計算機是三星S5PV210嵌入式系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Wince6.0，控制軟件在Keil4.0、Visual Studio2005環(huán)境下編寫。結(jié)果：經(jīng)研究室實際使用，該裝置可進行雙通道紫外吸收值實時監(jiān)測、曲線顯示，一次最多可完成735 ml蛋白液的自動收集，通常5 h內(nèi)無需人工值守換樣。結(jié)論：儀器結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，滿足預(yù)期目標(biāo)要求，使用維護方便，性價比高。

簡易；蛋白質(zhì)純化監(jiān)測控制；蛋白純化液收集；Wince嵌入式系統(tǒng)

0 引言

目前，國內(nèi)用于蛋白質(zhì)純化監(jiān)測收集的設(shè)備主要為進口工作站設(shè)備，其中占據(jù)60%以上國內(nèi)市場的是美國GE的AKTA系列，價格昂貴，20～200萬元人民幣不等。其儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高，蛋白質(zhì)收集量偏少，使用成本高[1-3]，維護起來很困難，需要專門的工程師上門更換昂貴的進口配件。筆者了解到本單位的蛋白質(zhì)純化工作站AKTA9000已因該方面原因停用1 a，但同時研究室需開展大量抗體制備工作，常年需要蛋白質(zhì)純化監(jiān)測設(shè)備。針對這種狀況，研制出一套基于嵌入式系統(tǒng)的蛋白質(zhì)純化檢測與控制設(shè)備，滿足自用，非常有實用價值與現(xiàn)實意義。

1 設(shè)計原理

許多現(xiàn)代分子生物學(xué)研究都離不開蛋白質(zhì)純化這一基本實驗步驟，因而蛋白純化技術(shù)設(shè)備日益廣泛應(yīng)用，成為生命科學(xué)研究的基本且必要的技術(shù)手段[4-5]。蛋白質(zhì)純化本身又分為2個步驟：（1）生化層析分離；（2）純度監(jiān)測與控制。本文的目的是完成第（2）步工作，而第（1）步中純化何種蛋白、采用哪種體系分離，則留給使用者自己選擇。

蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵，吸收峰高在280 nm處，其吸光度（即光密度值）與蛋白質(zhì)含量成正比[6]。因此，利用一定波長下，蛋白質(zhì)溶液的光吸收值與蛋白質(zhì)濃度的正比關(guān)系可以進行蛋白質(zhì)含量的測定[7-8]。這種方法簡便、靈敏、快速，不消耗樣品，測定后仍能回收使用，大多數(shù)緩沖液為低濃度的鹽，不干擾測定[9-10]。筆者基于這一原理，設(shè)計出該設(shè)備的機電混合原理圖（如圖1所示），以此實施蛋白質(zhì)濃度監(jiān)測和收集控制。

如圖1所示，在重力作用下，儀器上部高度約80 cm處倒置懸掛的緩沖液瓶中的緩沖液、蛋白質(zhì)液等原液不斷向下流動，緩慢流過離子交換柱、電導(dǎo)檢測器、電磁閥后，流經(jīng)石英檢測池，再經(jīng)PVC導(dǎo)液軟管流向固定在儀器右側(cè)的XY軸電動導(dǎo)軌架上的加樣臂頭，最終經(jīng)離子交換柱純化后的蛋白質(zhì)液被注入收樣杯里，完成整個蛋白質(zhì)等的純化與收集。

2 裝置設(shè)計

2.1 硬件

本儀器系統(tǒng)裝置硬件由主機與單片機、外設(shè)信號監(jiān)測采集與液流控制部分、電動換樣滑軌機械機構(gòu)3個主要部分構(gòu)成（如圖2所示），現(xiàn)分別進行介紹：（1）主機與單片機：smart210（三星S5PV210核心），1 GHz主頻，512 MB內(nèi)存，4個USB口，2+3 COM（TTL）口，電阻式7 in（1 in=25.4 mm）觸摸屏，Wince6.0操作系統(tǒng)；控制外圍電磁閥、電動換樣滑軌機構(gòu)的單片機是STC15F2K60S2，自帶雙獨立MAXIM232的COM芯片，通過串口與主機進行通信。（2）外設(shè)信號監(jiān)測采集與液流控制部分：采集處理280 nm光吸收的是280 nm紫外發(fā)光二極管（Hasun，香港），型號為HS101-T039/F，激發(fā)電壓為6.0 V；光檢測器型號為S1336BQ（濱松光子）。檢測信號放大板為自制正負反饋雙路印制電路板（printed circuit board，PCB），放大信號500～1 000倍，±5 V電源（HDW3，美國ANSI）。信號采集A/D轉(zhuǎn)換模塊型號為ADS1256（重慶嘉科），8路，24 bit，采集頻率30 KB/s。（3）電動換樣滑軌機械機構(gòu)：由2根IA（RCP3）電動導(dǎo)軌、28 mm寬拖帶、有機玻璃托盤自改組裝完成。收集蛋白質(zhì)樣品的容器杯可為15、50 ml塑料離心管，托盤尺寸為120 mm×240 mm；換樣機械部分的固定高為160 mm，X軸導(dǎo)軌長160 mm，Y軸導(dǎo)軌長250 mm。儀器整機自設(shè)計組裝，不附整機裝配工程尺寸圖，外殼材料為4 mm厚有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）板，雙流通池用ABS塑盒遮光封閉固定。

圖2 設(shè)備的機電硬件構(gòu)成

2.2 軟件

設(shè)備配套的控制應(yīng)用軟件由上位機與下位單片機2個部分組成，設(shè)備內(nèi)部模塊之間均采用RS232協(xié)議。上位機負責(zé)加樣臂位置、液面高度的顯示及處理，編寫環(huán)境為Visual Studio2005，基于上位機操作系統(tǒng)Wince6.0，軟件由Windows Embedded CE 6.0 SDK開發(fā)。下位機負責(zé)AD信號的采集處理、對外圍模塊電磁閥的控制及執(zhí)行上位機發(fā)來的指令，下單片位機在C語言環(huán)境Keil4.0下編寫。設(shè)備的控制應(yīng)用軟件程序設(shè)計如圖3所示。

圖3 設(shè)備實現(xiàn)自動監(jiān)測控制軟件框圖

3 應(yīng)用效果

驗證實驗中，將該裝置用于阿特拉津抗體蛋白純化，以6 mol/L的EDTA鹽緩沖載液，在阿特拉津抗體蛋白濃度為0.05～25 mg/L內(nèi)，紫外線信號顯示與處理達100 AU的分辨水平，實時顯示的曲線基線穩(wěn)定。當(dāng)抗體濃度低于0.45 mg/L時系統(tǒng)發(fā)出報警，切斷液路流動，自動換樣。研制的儀器實物設(shè)備如圖4所示，軟件運行如圖5所示。設(shè)備試用運行時，連續(xù)120 h穩(wěn)定正常工作，達到了預(yù)期設(shè)計的實時監(jiān)測顯示紫外吸收、自動換樣、報警等基本功能。

圖4 蛋白質(zhì)濃度監(jiān)測與控制裝置實物圖

圖5 裝置的程序控制界面

4 結(jié)論

筆者依據(jù)掌握的蛋白質(zhì)純化工藝工程基本原理設(shè)計制作成的蛋白質(zhì)紫外檢測控制儀器，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，尺寸僅為37 cm×35 cm×25 cm?？傇靸r成本不過萬元，遠遠低于國外同類產(chǎn)品售價。而且，由于采用透明機箱及模塊化設(shè)計，令使用與故障維護十分方便。

與目前主流進口蛋白質(zhì)純化設(shè)備工作站相比，有3點優(yōu)勢：（1）監(jiān)測控制設(shè)備用嵌入式系統(tǒng)替代了配套的個人計算機（personal computer，PC）。巧妙利用高懸掛自重力驅(qū)動蛋白液流動替代常規(guī)驅(qū)動液流需要的蠕動泵模塊，更經(jīng)濟實用。（2）簡化了儀器結(jié)構(gòu)，既降低成本，又便于使用維護，配件的更換成本十分低廉。同時克服了一般蛋白質(zhì)純化工作站自動液流通路復(fù)雜、容易出現(xiàn)氣泡、管道堵塞時很難排除等困擾。（3）整機自主設(shè)計開發(fā)，擁有高于90%的自主設(shè)計產(chǎn)權(quán)。

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（收稿：2014-11-23 修回：2015-04-20）

Development of practical and low-cost instrument for protein purification

MA Xin-hua,LI Xiao-li,FAN Xian-jun,OU Guo-rong,LIU Nan,GAO Zhi-xian
（Institute of Health and Environmental Medicine,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300050,China）

ObjectiveTo develop a low-cost,reliable,easy-to-maintain and practical instrument for protein purification.MethodsSome ultraviolet luminescent diode was used to provide 280 nm light source,and high-sensitivity S1336 photoelectric detector was employed for real-time monitoring of purified protein solution flowing through quartz cell to supervise the concentration of the protein.The instrument gave voice alarm and stopped working in case the protein concentration was less than the standard one.The lower SCM monitored the liquid level of the protein collecting cup and the position of loading arm through laser infrared distance sensor,so that a cup full of protein might be replaced by another empty cup. The instrument involved in Samsung S5PV210 embedded master computer,Wince6.0 operating system,Keil4.0 and VS2005.ResultsTrials proved that the instrument could perform real-time monitoring and curve display of dual-channel ultraviolet absorption,and could realize auto collection of 735 ml protein solution and up to 5-hour standby.ConclusionThe instrument developed has simple structure,high reliability and easy maintenance,and meets the desired requirements.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（9）：31-33]

simple;supervision of protein purification;collection of purified protein solution;Wince embedded system

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）09-0031-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.09.031

國家自然科學(xué)基金面上項目（81472941）

馬新華（1974—），男，實驗師，主要從事水質(zhì)快速檢測技術(shù)與裝備的研發(fā)等方面的工作，E-mail：kfcty@126.com。

300050天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所（馬新華，李曉麗，范獻軍，歐國榮，劉 楠，高志賢）

劉 楠，E-mail：lnq555@126.com；高志賢，E-mail：gaozx@163. com