一种低成本蛋白质监测与控制仪器装置研制

马新华，李晓丽，范献军，欧国荣，刘 楠，高志贤

一种低成本蛋白质监测与控制仪器装置研制

马新华，李晓丽，范献军，欧国荣，刘 楠，高志贤

目的：研制一种在离子交换色谱法蛋白质纯化中可对浓度进行监测、并可控制换样臂自动换样的实用装置，供研究室蛋白质纯化。方法：利用新型的紫外发光二极管为装置提供所需的280 nm光源，高灵敏度的S1336（滨松）光电检测器实时监测石英流通池内流过的纯化后的蛋白质液吸光情况，实现对蛋白质含量浓度的监测、控制。原料液蛋白浓度过低需更换进样时，装置会发出人声警报，自动停止工作。下位单片机通过激光红外测距传感器监测蛋白收集杯的液面高度和当前加样臂所处位置，如单杯集满，则自动移往下一空杯。仪器的主控计算机是三星S5PV210嵌入式系统，操作系统为Wince6.0，控制软件在Keil4.0、Visual Studio2005环境下编写。结果：经研究室实际使用，该装置可进行双通道紫外吸收值实时监测、曲线显示，一次最多可完成735 ml蛋白液的自动收集，通常5 h内无需人工值守换样。结论：仪器结构简单，运行可靠，满足预期目标要求，使用维护方便，性价比高。

简易；蛋白质纯化监测控制；蛋白纯化液收集；Wince嵌入式系统

0 引言

目前，国内用于蛋白质纯化监测收集的设备主要为进口工作站设备，其中占据60%以上国内市场的是美国GE的AKTA系列，价格昂贵，20～200万元人民币不等。其仪器设备结构复杂程度高，蛋白质收集量偏少，使用成本高[1-3]，维护起来很困难，需要专门的工程师上门更换昂贵的进口配件。笔者了解到本单位的蛋白质纯化工作站AKTA9000已因该方面原因停用1 a，但同时研究室需开展大量抗体制备工作，常年需要蛋白质纯化监测设备。针对这种状况，研制出一套基于嵌入式系统的蛋白质纯化检测与控制设备，满足自用，非常有实用价值与现实意义。

1 设计原理

许多现代分子生物学研究都离不开蛋白质纯化这一基本实验步骤，因而蛋白纯化技术设备日益广泛应用，成为生命科学研究的基本且必要的技术手段[4-5]。蛋白质纯化本身又分为2个步骤：（1）生化层析分离；（2）纯度监测与控制。本文的目的是完成第（2）步工作，而第（1）步中纯化何种蛋白、采用哪种体系分离，则留给使用者自己选择。

蛋白质分子中含有共轭双键，吸收峰高在280 nm处，其吸光度（即光密度值）与蛋白质含量成正比[6]。因此，利用一定波长下，蛋白质溶液的光吸收值与蛋白质浓度的正比关系可以进行蛋白质含量的测定[7-8]。这种方法简便、灵敏、快速，不消耗样品，测定后仍能回收使用，大多数缓冲液为低浓度的盐，不干扰测定[9-10]。笔者基于这一原理，设计出该设备的机电混合原理图（如图1所示），以此实施蛋白质浓度监测和收集控制。

如图1所示，在重力作用下，仪器上部高度约80 cm处倒置悬挂的缓冲液瓶中的缓冲液、蛋白质液等原液不断向下流动，缓慢流过离子交换柱、电导检测器、电磁阀后，流经石英检测池，再经PVC导液软管流向固定在仪器右侧的XY轴电动导轨架上的加样臂头，最终经离子交换柱纯化后的蛋白质液被注入收样杯里，完成整个蛋白质等的纯化与收集。

2 装置设计

2.1 硬件

本仪器系统装置硬件由主机与单片机、外设信号监测采集与液流控制部分、电动换样滑轨机械机构3个主要部分构成（如图2所示），现分别进行介绍：（1）主机与单片机：smart210（三星S5PV210核心），1 GHz主频，512 MB内存，4个USB口，2+3 COM（TTL）口，电阻式7 in（1 in=25.4 mm）触摸屏，Wince6.0操作系统；控制外围电磁阀、电动换样滑轨机构的单片机是STC15F2K60S2，自带双独立MAXIM232的COM芯片，通过串口与主机进行通信。（2）外设信号监测采集与液流控制部分：采集处理280 nm光吸收的是280 nm紫外发光二极管（Hasun，香港），型号为HS101-T039/F，激发电压为6.0 V；光检测器型号为S1336BQ（滨松光子）。检测信号放大板为自制正负反馈双路印制电路板（printed circuit board，PCB），放大信号500～1 000倍，±5 V电源（HDW3，美国ANSI）。信号采集A/D转换模块型号为ADS1256（重庆嘉科），8路，24 bit，采集频率30 KB/s。（3）电动换样滑轨机械机构：由2根IA（RCP3）电动导轨、28 mm宽拖带、有机玻璃托盘自改组装完成。收集蛋白质样品的容器杯可为15、50 ml塑料离心管，托盘尺寸为120 mm×240 mm；换样机械部分的固定高为160 mm，X轴导轨长160 mm，Y轴导轨长250 mm。仪器整机自设计组装，不附整机装配工程尺寸图，外壳材料为4 mm厚有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）板，双流通池用ABS塑盒遮光封闭固定。

图2 设备的机电硬件构成

2.2 软件

设备配套的控制应用软件由上位机与下位单片机2个部分组成，设备内部模块之间均采用RS232协议。上位机负责加样臂位置、液面高度的显示及处理，编写环境为Visual Studio2005，基于上位机操作系统Wince6.0，软件由Windows Embedded CE 6.0 SDK开发。下位机负责AD信号的采集处理、对外围模块电磁阀的控制及执行上位机发来的指令，下单片位机在C语言环境Keil4.0下编写。设备的控制应用软件程序设计如图3所示。

图3 设备实现自动监测控制软件框图

3 应用效果

验证实验中，将该装置用于阿特拉津抗体蛋白纯化，以6 mol/L的EDTA盐缓冲载液，在阿特拉津抗体蛋白浓度为0.05～25 mg/L内，紫外线信号显示与处理达100 AU的分辨水平，实时显示的曲线基线稳定。当抗体浓度低于0.45 mg/L时系统发出报警，切断液路流动，自动换样。研制的仪器实物设备如图4所示，软件运行如图5所示。设备试用运行时，连续120 h稳定正常工作，达到了预期设计的实时监测显示紫外吸收、自动换样、报警等基本功能。

图4 蛋白质浓度监测与控制装置实物图

图5 装置的程序控制界面

4 结论

笔者依据掌握的蛋白质纯化工艺工程基本原理设计制作成的蛋白质紫外检测控制仪器，结构紧凑小巧，尺寸仅为37 cm×35 cm×25 cm。总造价成本不过万元，远远低于国外同类产品售价。而且，由于采用透明机箱及模块化设计，令使用与故障维护十分方便。

与目前主流进口蛋白质纯化设备工作站相比，有3点优势：（1）监测控制设备用嵌入式系统替代了配套的个人计算机（personal computer，PC）。巧妙利用高悬挂自重力驱动蛋白液流动替代常规驱动液流需要的蠕动泵模块，更经济实用。（2）简化了仪器结构，既降低成本，又便于使用维护，配件的更换成本十分低廉。同时克服了一般蛋白质纯化工作站自动液流通路复杂、容易出现气泡、管道堵塞时很难排除等困扰。（3）整机自主设计开发，拥有高于90%的自主设计产权。

[1]许亚军，林俊岳.蛋白质提纯研究进展[J].天津化工，2006，20（4）：9-12.

[2]孙文改，苗景赟.抗体生产纯化技术[J].中国生物工程杂志，2008，28（10）：141-152.

[3]王洪新，胡昌云.茶叶蛋白质提取及初步纯化研究[J].食品工业科技，2004（12）：69-71，73.

[4]孙永福，王凤山，张敏.内含肽介导的新型蛋白质纯化技术[J].生命的化学，2008，28（2）：146-148.

[5]夏其昌，屠红旻.蛋白质和多肽分离分析技术的一些新进展[J].生命的化学，1990（6）：34-37.

[6]吴迪，曹芳，冯水娟，等.基于支持向量机算法的红外光谱技术在奶粉蛋白质含量快速检测中的应用[J].光谱学与光谱分析，2008（5）：1 071-1 075.

[7]张华秀，李晓宁，范伟，等.近红外光谱结合Boosting-PLS快速检测奶粉中蛋白质含量[J].计算机与应用化学，2010，27（9）：1 197-1 200.

[8]何保山，王丹，左春艳，等.用分光光度法快速测定蛋白质含量的研究[J].河南工业大学学报：自然科学版，2011，32（4）：27-29，35.

[9] 滕学明，田璐，赵昆.太赫兹技术对营养品中蛋白质含量的研究[J].现代科学仪器，2012（1）：91-94.

[10]王丹，何保山，左春艳，等.试纸条法快速检测食品蛋白质的研究[J].农业机械，2012（15）：140-142.

（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

国家自然科学基金面上项目（81472941）

马新华（1974—），男，实验师，主要从事水质快速检测技术与装备的研发等方面的工作，E-mail：kfcty@126.com。

300050天津，军事医学科学院卫生学环境医学研究所（马新华，李晓丽，范献军，欧国荣，刘 楠，高志贤）

刘 楠，E-mail：lnq555@126.com；高志贤，E-mail：gaozx@163. com