第 4 节毛细管电泳

第4节毛细管电泳

4.1、概述 4.2、理论基础 4.3、毛细管电泳仪 4.4、毛细管电泳分离模式 4.5、毛细管电泳应用

4.1、概述 在电解质溶液中，位于电场中的带电离子在电场力的作用下，以不同的速度向其所带电荷相反的电极方向迁移的现象，称之为电泳。由于不同离子所带电荷及性质的不同，迁移速率不同，可实现分离。样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定。 1937年，Tiselius(瑞典)将蛋白质混合液放在两段缓冲溶液之间，两端施以电压进行自由溶液电泳，第一次将人血清提取的蛋白质混合液分离出白蛋白和α、β、γ球蛋白；1948年，获诺贝尔化学奖；

4.1.1、经典的电泳分析方法 利用电泳现象对化学或生物物质进行分离分析的方法和技术叫电泳法或电泳技术。按形状分类：U型管电泳、柱状电泳、板电泳；按载体分类：滤纸电泳、琼脂电泳、聚丙烯酰胺电泳、自由电泳；传统电泳分析：操作烦琐，所用分离柱的柱径大，柱较短，分离效率不高（远低于HPLC），温度影响大。

4.1.2、毛细管电泳分析方法 1981年，Jorgenson等用75 m内径石英毛细管进行电泳分析，柱效高达40万/m，迅速发展成为可与GC、HPLC相媲美的崭新的分离分析技术——高效毛细管电泳。

高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进：高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进：一、采用了< 0.1mm内径的毛细管二、采用了高达数万伏的电压 • 毛细管的采用使产生的热量能够较快散发，大大减小了温度效应，使电场电压可以很高。 • 电压升高，电场推动力大，又可进一步使柱径变小，柱长增加。 • 高效毛细管电泳的柱效远高于高效液相色谱，理论塔板数高达几十万/米，特殊柱子可以达到数百万。

分离过程 • 电场作用下，毛细管柱中出现：电泳现象和电渗流现象。 • 带电粒子的迁移速度=电泳+电渗流；两种速度的矢量和。 • 正离子：两种效应的运动方向一致，在负极最先流出； • 中性粒子无电泳现象，受电渗流影响，在阳离子后流出； • 阴离子：两种效应的运动方向相反。ν电渗流 >ν电泳时，阴离子在负极最后流出。

高效毛细管电泳的特点 1、仪器简单、易自动化电源、毛细管、检测器、溶液瓶 2、分析速度快、分离效率高可在3.1 min内分离36种无机及有机阴离子，4.1min内分离了24种阳离子；分离柱效：105～107/m理论塔板数 3、操作方便、消耗少、成本低进样量极少，nL水平 4、环境友好 5、应用范围极广无机物、有机物、生物小分子、中性分子；生物大分子等

4.2、理论基础 4.2.1 电泳电泳是指带电离子在电场中的定向移动，不同离子具有不同的迁移速度，迁移速度与哪些因素有关？当带电离子以速度ν在电场中移动时，受到大小相等、方向相反的电场推动力和平动摩擦阻力的作用。电场力：FE = qE 阻力：F = fν 故： qE = fν q—离子所带的有效电荷； E —电场强度； ν—离子在电场中的迁移速度； f —平动摩擦系数

所以，迁移速度： （球形离子） η-溶液粘度 r-离子半径物质离子在电场中差速迁移是电泳分离的基础。淌度μ：单位电场强度下的平均电泳速度:

4.2.2、电渗现象与电渗流 1、电渗流现象当固体与液体接触时，固体表面由于某种原因带一种电荷，则因静电引力使其周围液体带有相反电荷，在液-固界面形成双电层，二者之间存在电位差。当液体两端施加电压时，就会发生液体相对于固体表面的移动，这种液体相对于固体表面的移动的现象叫电渗现象。电渗现象中整体移动着的液体叫电渗流（electroosmotic flow，EOF）。

2、HPCE中的电渗现象与电渗流 石英毛细管柱，内充液pH>3时，表面电离成-SiO-，管内壁带负电荷，形成双电层。在高电场的作用下，带正电荷的溶液表面及扩散层向阴极移动，由于这些阳离子实际上是溶剂化的，故将引起柱中的溶液整体向负极移动，速度νEOF。

3、HPCE中电渗流的方向 电渗流的方向取决于毛细管内表面电荷的性质：石英毛细管，内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极；改变电渗流方向的方法：（1）毛细管改性表面键合阳离子基团；（2）加电渗流反转剂内充液中加入大量的阳离子表面活性剂，将使石英毛细管壁带正电荷，溶液表面带负电荷。电渗流流向阳极。

4、HPCE中电渗流的大小 电渗流的大小用电渗流速度νEOF表示，取决于电渗淌度μ和电场强度E。即 νEOF = μ E 电渗淌度取决于电泳介质及双电层的Zeta电势，即 μ = ε0εξ ε0—真空介电常数；ε—介电常数；ξ—毛细管壁的Zeta电势。 νEOF = ε0εξ E 实际电泳分析，可在实验测定相应参数后，按下式计算 νEOF = Lef/teo Lef —毛细管有效长度； teo—电渗流标记物（中性物质）的迁移时间。

5、HPCE中电渗流的流形 电荷均匀分布，整体移动，电渗流的流动为平流，塞式流动（谱带展宽很小）；液相色谱中的溶液流动为层流，抛物线流型，管中心处的速度为平均速度的2倍（引起谱带展宽较大）。

6、 HPCE中电渗流的作用 各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为： ν+ =νEOF + ν+ef 阳离子运动方向与电渗流一致； ν- = νEOF - ν-ef 阴离子运动方向与电渗流相反； ν0 = νEOF中性粒子运动方向与电渗流一致；一般离子的电渗速度是电泳速度的5-7倍，因此待测组分都能从阴极流出。（1）可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离；（2）改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性，如同改变LC中的流速；（3）电渗流的微小变化影响结果的重现性；在HPCE中，控制电渗流非常重要。

4.2.3、HPCE中影响电渗流的因素 1.电场强度的影响电渗流速度和电场强度成正比，当毛细管长度一定时，电渗流速度正比于工作电压。 2.毛细管材料的影响不同材料毛细管的表面电荷特性不同，产生的电渗流大小不同。

3. 电解质溶液性质的影响 （1）溶液pH的影响对于石英毛细管，溶液pH增高时，表面电离多，电荷密度增加，管壁zeta电势增大，电渗流增大； pH<3，完全被氢离子中和，表面电中性，电渗流为零。分析时，采用缓冲溶液来保持pH稳定。（2）阴离子的影响阴离子不同时，毛细管中的电流有较大差别，产生的焦耳热不同。缓冲溶液离子强度，影响双电层的厚度、溶液黏度和工作电流，明显影响电渗流大小。缓冲溶液离子强度增加，电渗流下降。

4. 温度的影响 毛细管内温度的升高，使溶液的黏度下降，电渗流增大。温度变化来自于“焦耳热”；焦耳热：毛细管溶液中有电流通过时，产生的热量； HPCE中的焦耳热与背景电解质的摩尔电导、浓度及电场强度成正比。温度每变化1K，将引起背景电解质溶液黏度变化2%～3%；

5. 添加剂的影响 （1）加入浓度较大的中性盐，如K2SO4，溶液离子强度增大，电渗流减小。（2）加入表面活性剂，可改变电渗流的大小和方向；加入阳离子表面活性剂可改变电渗流方向。（3）加入有机溶剂可改变电渗流大小。

4.2.4、淌度 淌度：带电离子在单位电场下的迁移速度；淌度不同是电泳分离的基础。 1.有效淌度(effective mobility)μef 溶液中离子的电泳淌度μef=∑aiμi（不考虑电渗流） ai —溶质i的解离度；μi —溶质i在解离状态下的绝对淌度 2.表观淌度 μap 离子在实际分离过程中的迁移速度（表观迁移速度）： νap=μap  E μap= μef+ μEOF

4.2.5、HPCE中的参数与关系式 1.迁移时间（保留时间） HPCE兼具有电化学的特性和色谱分析的特性。有关色谱理论也适用。 V—外加电压；L—毛细管总长度； 2.分离效率（塔板数）在HPCE中，仅考虑纵向扩散，σ2=2Dt 扩散系数小的溶质比扩散系数大的分离效率高，分离生物大分子的依据。

3.分离度 影响分离度的主要因素；工作电压V；毛细管有效长度与总长度比；有效淌度差。分离度可按谱图直接由下式计算：

4.2.6、影响分离效率的因素—区带展宽 1.纵向扩散的影响在HPCE中，纵向扩散引起的峰展宽：σ2=2Dt 由扩散系数和迁移时间决定。大分子的扩散系数小，可获得更高的分离效率，大分子生物试样分离的依据。 2.进样的影响当进样塞长度太大时，引起的峰展宽大于纵向扩散。分离效率明显下降；实际操作时进样塞长度小于或等于毛细管总长度的1%～2%。

3.焦耳热与温度梯度的影响 电泳过程产生的焦耳热可由下式计算： m—电解质溶液的摩尔电导；I—工作电流：cm—电解质浓度；散热过程中，在毛细管内形成温度梯度（中心温度高），破坏了塞流，导致区带展宽。改善方法：（1）减小毛细管内径；（2）控制散热；

4.溶质与管壁间的相互作用 存在吸附与疏水作用，造成谱带展宽；蛋白质、多肽带电荷数多，有较多的疏水基，吸附问题特别严重，是目前分离分析该类物质的一大难题。细内径毛细管柱，一方面有利于散热，另一方面比表面积大，又增加了溶质吸附的机会。

4.3、毛细管电泳仪 4.3.1、仪器流程与主要部件 • 电压：0～30 kV； • 分离柱不涂敷任何固定液； • 紫外或激光诱导荧光检测器； • 激光诱导荧光检测器可检测到：10-19～10-21 mol

1.高压电源 （1）0～30 kV 稳定、连续可调的直流电源；（2）具有恒压、恒流、恒功率输出；（3）电场强度程序控制系统；（4）电压稳定性：0.1%；（5）电源极性易转换； 2. 毛细管柱（1）材料：石英：各项性能好；玻璃：光学、机械性能差；外涂覆聚酰亚胺保护层。检测窗口制作。（2）规格：内径25～100μm，外径150～400μm；长度<=1m

3.缓冲液池 化学惰性，机械稳定性好； 4. 检测器要求：具有极高灵敏度，可柱端检测；检测器、数据采集与计算机数据处理一体化；类型检测限/mol 特点紫外-可见10-13～10-15加二极管阵列，光谱信息荧光10-15～10-17 灵敏度高，样品需衍生激光诱导荧光 10-18～10-21 灵敏度极高，样品需衍生电化学10-17～10-19 样品需有电活性

4.3.2、毛细管电泳的进样方式 进样量：毛细管长度的1%-2%；纳升级、非常小； 1. 流体力学进样方式（1）进样端加压（2）出口端抽真空（3）虹吸进样

2. 电动进样方式 毛细管一端插入样品瓶，加电压；进样不均：电歧视现象，淌度大的离子比淌度小的进样量大；离子丢失：淌度大且与电渗流方向相反的离子可能进不去；特别适合黏度大的试样；

4.4、毛细管电泳分离模式 4.4.1、毛细管区带电泳capillary zone electrophoresis，CZE 带电粒子的迁移速度=电泳和电渗流速度的矢量和。正离子：两种效应的运动方向一致，在负极最先流出；中性粒子：无电泳现象，受电渗流影响，在阳离子后流出；阴离子：两种效应的运动方向相反；ν电渗流 >ν电泳时,阴离子在负极最后流出,在这种情况下,不但可以按类分离,同种类离子由于差速迁移被相互分离。最基本、应用最广的分离模式；

4.4.2、胶束电动毛细管色谱 micellar electrokinetic chromatography，MEKC 1. 缓冲溶液中加入离子型表面活性剂，其浓度达到临界浓度，形成一疏水内核、外部带电的胶束。在电场力的作用下，胶束在柱中移动。加入十二烷基磺酸钠

2. 电泳流和电渗流的方向相反，且ν电渗流> ν电泳，负电胶束以较慢的速度向负极移动； 3. 中性分子在胶束相和溶液（水相）间分配，疏水性强的组分与胶束结合的较牢，流出时间长； 4. 可用来分离中性物质，扩展了高效毛细管电泳的应用范围； 5. 色谱与电泳分离模式的结合。

4.4.3、毛细管凝胶电泳capillary gel electrophoresis，CGE 将聚丙烯酰胺等在毛细管柱内交联生成凝胶。其具有多孔性，类似分子筛的作用，试样分子按大小分离。能够有效减小组分扩散，所得峰型尖锐，分离效率高。蛋白质、DNA等的电荷/质量比与分子大小无关，CZE模式很难分离，采用CGE能获得良好分离。采用芯片阵列技术，为完成人类DNA基因测序，CGE作出了极大的贡献。

4.4.4、毛细管电色谱capillary electroosmostic chromatography ，CEC 在毛细管壁上键合或涂渍高效液相色谱的固定液，以电渗流为驱动力，试样组分在两相间的分配为分离机理的电动色谱过程。填充柱的基本结构 1 入口柱塞; 2 填充部分; 3 出口柱塞; 4 检测窗口; 5 开管部分

4.5、毛细管电泳应用 • 一、离子分析 • 二、药物分析 • 三、手性化合物分析 • 四、氨基酸分析 • 五、核酸分析及DNA测序 • 六、蛋白质分析

毛细管区带电泳分离30种阴离子电泳图

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