凝胶电泳仪：原理、结构与应用

凝胶电泳仪是一种利用凝胶作为支持介质，借助电场对带电分子（如DNA、RNA、蛋白质等）进行分离和分析的实验设备。它广泛应用于分子生物学、基因研究、医学诊断和药物开发等领域。

一、凝胶电泳仪的工作原理

凝胶电泳仪的核心原理是电泳现象，即带电分子在电场作用下的定向迁移。凝胶作为分离介质，通过分子筛作用，根据分子的大小和电荷差异实现分离。

工作流程

1. 带电分子在电场作用下移动：

• 核酸（DNA、RNA）：由于磷酸基团带负电，在电场中向正极（阳极）迁移。

• 蛋白质：根据所带电荷方向，可能向正极或负极迁移。

2. 分子在凝胶中的迁移速度不同：

• 小分子穿过凝胶孔隙阻力小，迁移速度快。

• 大分子受到的阻力大，迁移速度慢。

3. 最终，带电分子根据大小和电荷分布在凝胶不同位置，从而实现分离。

电泳速度公式：

v=qEfv = \frac{qE}{f}v=fqE

其中：

• $v$：迁移速度。

• $q$：分子所带电荷。

• $E$：电场强度。

• $f$：摩擦系数，取决于分子大小和凝胶孔径。

二、凝胶电泳仪的组成

1. 电泳槽

• 容纳凝胶和缓冲液。

• 配有正、负电极，用于生成电场。

2. 电泳电源

• 提供可调的直流电场，控制电场强度和迁移速度。

3. 凝胶托盘

• 用于制备凝胶并支撑凝胶在电泳槽中运行。

4. 加样梳

• 在凝胶上形成样品槽，用于加载样品。

5. 支持介质

• 提供分子迁移路径并起到分子筛作用。

• 琼脂糖凝胶：适用于核酸分离。

• 聚丙烯酰胺凝胶：适用于蛋白质和小分子分离。

6. 缓冲液

• 提供稳定的离子环境，维持电泳过程的pH值和电导性。

• 常用缓冲液包括TBE、TAE（核酸）和SDS-PAGE缓冲液（蛋白质）。

三、凝胶电泳仪的类型

1. 按支持介质分类

• 琼脂糖凝胶电泳仪：

• 主要用于DNA/RNA分离。

• 操作简单，适合初学者。

• 聚丙烯酰胺凝胶电泳仪（PAGE）：

• 适用于蛋白质和小分子分离。

• 分辨率高，适合精细分析。

2. 按结构分类

• 水平电泳仪：

• 凝胶水平放置，主要用于核酸电泳。

• 垂直电泳仪：

• 凝胶垂直放置，主要用于蛋白质电泳。

3. 全自动电泳仪

• 集成样品加载、电泳分离、结果检测于一体，适合高通量实验室。

四、凝胶电泳仪的使用步骤

1. 凝胶制备

• 根据实验需求选择凝胶类型：

• 琼脂糖凝胶：配制适当浓度（0.7%-2%），加热溶解后倒入托盘。

• 聚丙烯酰胺凝胶：按比例混合单体、交联剂、缓冲液，倒入垂直电泳槽。

• 插入加样梳，待凝胶凝固后移除。

2. 样品加载

• 将凝胶放入电泳槽，加入缓冲液，确保凝胶完全浸没。

• 使用移液器将样品混合加载缓冲液，注入样品槽。

3. 设置电泳参数

• 连接电源并设置电压：

• 核酸：50-150 V。

• 蛋白质：80-200 V。

• 确保连接正确（负极对样品端）。

4. 运行电泳

• 启动电源，分子开始在电场中迁移。

• 电泳时间通常为30-90分钟，具体视样品大小和目标分离效果而定。

5. 结果检测

• 核酸电泳：

• 用染色剂（如EB或SYBR Green）染色后，在紫外灯下观察。

• 蛋白质电泳：

• 用考马斯亮蓝染色，脱色后在普通光源下观察。

五、凝胶电泳仪的应用领域

1. 核酸分离与分析

• DNA分析：

• 分离PCR产物、基因片段筛选。

• RNA完整性检测：

• 评估RNA降解情况，用于基因表达研究。

2. 蛋白质分离与分析

• 蛋白质分子量测定：

• 使用SDS-PAGE分离并估算蛋白分子量。

• 抗体筛选：

• 检测抗原抗体反应的特异性。

3. 医学诊断

• 检测基因突变、疾病标志物。

• 电泳分析血清蛋白成分，辅助疾病诊断。

4. 药物研发

• 分析核酸或蛋白质药物的纯度和活性。

• 检测药物与分子靶点的结合。

六、凝胶电泳仪的优点与局限

优点

1. 分离效果好：

• 能根据分子大小和电荷实现高效分离。

2. 适用范围广：

• 可用于核酸、蛋白质、小分子的分离与分析。

3. 操作灵活：

• 可根据实验需求调整凝胶浓度、电泳条件。

局限

1. 操作繁琐：

• 需手动制备凝胶，加载样品和处理结果。

2. 耗时较长：

• 从制备到结果分析可能需要数小时。

3. 分辨率受限：

• 对于特别小的分子或复杂样品，可能需要其他技术补充（如毛细管电泳）。

七、凝胶电泳仪的维护与保养

1. 日常维护

• 每次使用后清洗电泳槽、电极和托盘，防止样品和缓冲液残留。

• 清洁加样梳，确保样品槽形成均匀。

2. 定期检查

• 检查电极线是否连接正常，有无腐蚀或断裂。

• 检测电源输出的电压和电流是否稳定。

3. 存放与保护

• 将托盘和加样梳存放在干燥环境，防止变形或污染。

• 避免长时间暴露在高温或阳光下。

八、凝胶电泳仪的选购建议

1. 根据实验需求

• 核酸实验：选择水平电泳仪。

• 蛋白质实验：选择垂直电泳仪或SDS-PAGE专用设备。

2. 设备性能

• 电源是否支持精确调节电压和电流。

• 电泳槽容量和样品通量是否满足需求。

3. 品牌与售后

• 推荐知名品牌如赛默飞、Bio-Rad等。

• 确保提供长期技术支持和备件供应。

九、总结

凝胶电泳仪是一种功能强大的实验设备，通过电场作用和凝胶分子筛特性，实现对核酸和蛋白质等分子的高效分离与分析。它在分子生物学、医学诊断和药物研发中具有重要应用。合理选择和使用凝胶电泳仪，不仅能提高实验效率，还能确保结果的准确性和可靠性。