微纳流体的驱动与控制：模拟三电极体系构建高性能电渗泵及其在微纳色谱中的应用

The driving and controlling of micro-/nano-fluid is still a challenging problem for the miniaturization of analytical instruments. In this project, we will construct a high performance monolith-based electroosmotic pump (EOP) by imitating tri-electrode system, named tri-electrode EOP. The variables will be investigated and the related principles will be discussed, with the aim to solve the key issues constraining EOP performance and its applications. By using the tri-electrode EOP as the driving pump, a miniaturized nanoflow liquid chromatography (LC) will be built for the separation of glycopeptides and glycoproteins. Different strategies for sample processing, gradient elution, and detection mode, will be applied to improve the separation efficiency. Based on the miniaturized nanoflow LC, further study will be focused on functionalizing this system by applying various boronate affinity materials (boronate-functionalized polymers and boron-based covalent-organic frameworks) to facilitate the separation and enrichment of glycopeptides and glycoproteins. For those chosen materials, the quantitative structure-activity relationship and their application forms (packed column, monolithic column, and open-tubular column) will be clarified for further expanding the applications of this developed system. Furthermore, a comparative study will be performed to distinguish the expression differences of glycopeptides/glycoproteins in saliva and blood samples from patients with primary hepatocellular carcinoma, patients with benign liver diseases and healthy volunteers, and accordingly, a novel, combined detection method of multiple tumor biomarkers will be established for the diagnosis of liver cancer. The implementation of this project will significantly enhance the ability to drive and control the micro-/nano-fluid, and the obtained results will not only be beneficial for the miniaturization and portability of analytical instruments, but also can provide a powerful tool for glycoproteomics research and the diagnosis and treatment of related diseases.

微纳流体的驱动与控制是分析仪器微型化领域具有挑战性的科学问题。本项目拟模拟“三电极”体系构建整体柱基高性能电渗泵，研究其性能参数和基本理论，力图解决制约电渗泵性能提升和实际应用的关键问题。以“三电极”电渗泵为驱动力，构建微纳色谱系统，以糖肽/糖蛋白为模型，发展适用于微纳色谱体系的样品富集策略，梯度生成方法和匹配的检测模式等，增强体系的分离分析性能。针对糖链特性，设计合成硼酸功能的聚合物和硼酸基共价-有机骨架材料，制备毛细管基填充柱、整体柱和开管柱等微柱并应用于“三电极”电渗泵驱动的微纳色谱系统，拓展体系的应用范围。在此基础上，对比研究原发性肝癌病人、良性肝病患者和健康人唾液和血液中的糖肽/糖蛋白表达差异，建立基于糖蛋白的肝癌多标志物联检分析方法。开展此课题将显著提升微纳流体的驱动与控制能力，有利于分析仪器的微型化和便携化，也可为糖蛋白质组学研究和相关疾病的诊疗提供强有力的分析工具。

本项目拟构建“三电极”电渗泵作为驱动力的微纳液相色谱系统用于生化分析相关领域，围绕这一主题，项目组在检测器，分离微柱，电渗泵，分析新材料等多个方面开展研究工作。为了适应微柱检测，项目组从高灵敏的激光诱导荧光(LIF)检测器入手，设计搭建了445 nm，405 nm和355 nm激发的LIF检测单元，并评价了其性能。以445 nm LIF检测器为基础，构建了完整的分析系统，发展了姜黄素类化合物的灵敏分析方法，实现了其在人体内的尿代谢监测。针对405 nm LIF检测器，引入7-(二乙胺基)香豆素-3-羧酸作为标记试剂，发展了磺胺类利尿剂的衍生与分析方法，并在此基础上设计合成了适用于405 nm激光的新型香豆素探针。同时，选择电容耦合非接触电导检测器(C4D)作为构建微纳液相分析系统的通用检测器，通过商品C4D评价其可行性，并自行设计搭建了小型化的C4D检测器。在此基础上发展了一些阴离子化合物如全氟羧酸，阳离子化合物如季氮生物碱等物质的直接分析方法；并通过简单高效的click反应，衍生丙烯酰胺使之能够被检测，拓展了C4D的应用领域。项目组聚焦于功能化开管微柱，发展了一种可控原位制备席夫碱基微孔聚合物涂层毛细管柱的方法，并以之为分离柱建立了核苷酸、甲基咪唑和β-内酰胺类抗生素等三类物质的分析方法。进一步制备了一种两性离子整体柱，并构建了基于紫外检测的微柱液相色谱系统实现三种雌激素的分析。项目组也积极拓展新型功能材料以增强微纳液相分析系统的性能，以乌头酸为碳源合成了一系列高量子产率的荧光碳点并实现了波长调控，探索了其在细胞传感与成像方面的应用潜力。以二氧化锰纳米片作为一种自牺牲探针，与酶催化反应的高特异性结合，建立了一种高选择性的共振光散射分析法，分别实现了酸性磷酸酶活性评价、黄嘌呤氧化酶抑制剂筛选和肌氨酸氧化酶底物肌氨酸的分析。本项目的开展和研究显著增强了微纳液相分析系统的性能，拓展了其在生化、环境、食品等领域的应用，其结果对分析仪器的微型化、集成化及便携化等方面具有重要意义。