第4节 毛细管电泳法
毛细管电泳法
Capillary Electrophoresis, CE
毛细管电泳是带电粒子在 电场力的驱动下，在毛细 管中按其淌度或和分配系 数不同进行高效、快速分 离的电泳新技术，也称为 高效毛细管电泳。
20世纪30－40年代 蒂塞利乌斯 (A.W.K.Tiselius） 建立了移动界面电泳，将电泳发 展成分离技术 获得1948年诺贝尔化学奖
实验中，只发生电泳时有效淌度
μef =υef ﹒ (L /V) =( l / tm )﹒(L /V)
毛细管有效长度
迁移时间 毛毛细管细电泳管法 总长度
电压
2 电泳和电渗
电渗
与固液界面的双电层有着密切的关系
在毛细管壁双电层的扩散层中的阳离子，相对于毛 细管壁的负电荷表面，形成一个圆筒形的阳离子鞘， 在电场作用下，溶剂化了的阳离子，沿滑动面与紧 密层作相对运动，携带着溶剂一起向阴极迁移，便 形成了电渗流（electroosmotic flow , EOF）。
1981年 J.W.Jorgenson,K.D.Lukacs实验上和理论 上为毛细管电泳的发展奠定了基础。 上一世纪后二十多年分析化学领域中发展最迅速的分离 分析方法。
主要内容
毛细管电泳的原理 分离模式 进样与检测 毛细管电泳的应用
一 毛细管电泳的原理
1 装置
电极 缓冲液
毛细管
数据处理
毛细管电泳法
2 电泳和电渗
µeo正比于Zeta电势和介质的 介电常数
改变电渗流的方法
反比于介质的黏度
Zeta电势正比于双电层厚度 和界面有效电荷密度
1. 改变外加径向电场
反比于介质的介电常数
2. 改变缓冲液成分和浓度
Zeta电势
3. 改变缓冲液pH 4. 加入添加剂
毛细管电泳法
毛细管电泳法类型 —— 非胶毛细管电泳
指介质中以有机溶剂占主要部分，即表现为非水体
系的性质。能承受更高的操作电压产生的高电场， 有更高的分享效率，也可在不增大焦耳热的条件下
提高溶液中的离子浓度或增大毛细管的内径，从而
增大进样量。 优点：使用超大内径毛细管柱、快速分析、降低吸 附、提高分离选择性、有利于难溶于水及在水中不 稳定的化合物的分离、对中性物质的分离、对手性
.改变电渗最方便有用的方法 .可能会引起溶质组分电荷和结构的改变 .离子强度增加，电流和焦耳热增加 .低离子强度可能存在样品的吸附问题 .导电性与样品不同可能引起峰形畸变 .离子强度低，样品装载量小
缓冲溶 pH降低，电渗降低 液pH值 pH降低，电渗增加 离子强 度或缓 冲溶液 浓度 温度 有机改 性剂 离子强度增加， Zeta电位降低， 电渗降低
V=Vep+Veo=(μep + μeo ) ·E
毛细管电泳法仪器构造
毛细管电泳法仪器构造
毛细管柱是CE的核心部件，目前多为25~75μm之间， 材料为聚四氟乙烯、玻璃和弹性石英，以石英居多。 选择细内径毛细管柱有利于最大散热，但比表面积大， 会增加溶质的吸附作用。
高压电源：包括电源、电极和电极槽
温度改变1℃，黏度 .温度由仪器自动控制，常用方法 变化约2%--3% 改变Zeta电位和黏 度（降低电渗） .变化复杂，其影响宜通过实验测定 .可能改变选择性
毛细管电泳法基本原理
粒子在毛细管内电解质中的迁移速度等于电泳和电渗流（EOF） 两种速度的矢量和。正离子的运动方向和电渗流一致，故最先 流出；中性粒子的电泳流速度为“零”，故其迁移速度相当于 电渗流速度；负离子的运动方向和电渗流方向相反，但因电渗 流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出， 从而因各种粒子迁移速度不同而实现分离。
毛细管电泳法
在毛细管中施加电场，带电粒子在电场的作用下产生迁移，由于迁移速度与粒 子所带电荷、半径、质量等因素有关，因此不同粒子在电场中产生不同的迁移 速度，从而实现分离。
发展历程
01
02
03
1980年代初期
毛细管电泳法由 Jorgenson和Lukacs首次 提出并实验验证。
1980年代中期
该技术逐渐成熟，被广泛 应用于生物、医药、环境 等领域。
饮用水安全
毛细管电泳法能够检测饮用水中 的消毒副产物、有机污染物等， 保障饮用水安全。
在食品检测领域的应用
食品添加剂分析
毛细管电泳法能够分离和检测食品中 的添加剂，如色素、防腐剂等，有助 于食品安全监管。
营养成分分析
毛细管电泳法能够快速分析食品中的 营养成分，如氨基酸、维生素等，有 助于食品质量控制和营养评价。
核酸分析
毛细管电泳法能够分离和检测核酸片段，用于基 因诊断、基因表达研究和法医学鉴定。
3
临床检验
毛细管电泳法可用于检测体液中的小分子代谢物， 如氨基酸、糖类等，辅助临床诊断。
在环境监测领域的应用
污染物分析
毛细管电泳法能够分离和检测水 体、土壤中的有害物质，如重金 属、农药残留等，有助于环境监 测和污染治理。
在化学分析领域的应用
有机物分析
毛细管电泳法能够分离和检测有机化合物，如药物、染料等 ，在药物研发、化工生产等领域有广泛应用。
金属离子分析
毛细管电泳法能够高灵敏度地检测金属离子，如铅、汞、镉 等，可用于地质、冶金和环境等领域的研究。
谢谢
THANKS
加样
将处理好的样品加入毛 细管中，注意控制加样
量。
施加电压
启动电源，施加适当的 电压，使带电粒子在电
毛细管电泳法
此外，还有一类基于芯片的二维分离系统主要应用于蛋白质酶解物的分离分析。
除上述分离模式外，芯片自由流电泳也是芯片电泳分离蛋白质的重要方法。芯片自由流电泳是指在芯片中通 过外加电场使样品随缓冲液连续流动的同时沿电场方向进行电迁移，从而按照电泳淌度不同实现分离的电泳分离 模式。Raymond等采用芯片自由流电泳模式分离了人血清蛋白、缓激肽和核糖核酸酶A，其分离长度为3.1 cm，流 出时间为62 S。Kobayashi等采用自由流电泳的分离模式在一个体积为56.5 mm×35 mm×30 mm的微分离室 (60uL)中实现了持续的蛋白质分离，并用羟丙基甲基纤维素涂覆来抑制蛋白质吸附，在25 min内有效分离了细胞 色素C和肌红蛋白。最近，Kohl．heyer等H 3。制作了一种自由流等电聚焦分离蛋白质的玻璃芯片，成功地将人 血清白蛋白(pI=4.4)与等电聚焦标记物(pH 3和9)分离。
仪器要求
所用的仪器为毛细管电泳仪。正文中凡采用毛细管电泳法测定的品种，其所规定的测定参数，除分析模式、 检测方法(如紫外光吸收或荧光检测器的波长、电化学检测器的外加电位等)应按照该品种项下的规定外，其他参 数如毛细管内径、长度、缓冲液的pH值、浓度、改性剂添加量、运行电压或电流的大小、运行的时间长短、毛细 管的温度等，均可参考该品种项下规定的数据，根据所用仪器的条件和预试验的结果，进行必要的调整。
检测方法
毛细管电泳通常用到的检测方法有吸收光谱，荧光光谱，热镜，拉曼光谱，质谱和电化学方法。
毛细管电泳法的原理和应用
毛细管电泳法的原理和应用1. 原理毛细管电泳法（Capillary Electrophoresis，CE）是一种基于电场作用下离子在毛细管中迁移的分离技术。
其原理基于离子在电场中带电迁移速度与其电荷量、电场强度以及溶液介质的性质相关的事实。
毛细管电泳法通过在毛细管中施加电场，利用分子的电荷差异和大小来实现分离物质的目的。
1.1 分离机制毛细管电泳法的分离机制主要包括以下几个步骤：1.进样：待测样品经过电泳柱，在毛细管中形成等电流聚焦带。
2.分离：应用电场，待测物质开始在毛细管内移动，根据分子的电荷和尺寸差异，分离成不同的带电物质。
3.检测：通过检测器对不同迁移距离的带电物质进行监测和记录。
1.2 主要影响因素影响毛细管电泳分离效果的主要因素包括：•电场强度：电场强度越高，迁移速度越快，但也容易产生电泳柱壁的热效应。
•pH 值：溶液的pH 值会影响离子的电荷状态，从而影响其迁移速度。
•温度：温度的变化会影响毛细管电泳的分离效果，通常需要控制温度来确保数据的可靠性。
2. 应用领域毛细管电泳法在许多领域中得到了广泛的应用，下面列举了其中的几个主要应用领域：2.1 生物医药领域•药物分析：毛细管电泳法可以用于药物代谢产物分析、毒性物质筛选和药物质量分析等。
•蛋白质分析：毛细管电泳法对于蛋白质的分析具有高分辨率和高灵敏度的特点，被广泛应用于蛋白质药物的质量控制和结构研究等方面。
2.2 环境监测领域•水质监测：毛细管电泳法可以用于水质中有机和无机物质的分析，可用于环境污染监测和水质安全评价等。
•大气污染物监测：毛细管电泳法可以用于大气中挥发性有机物质（VOCs）和颗粒物的分析，对于大气污染物的来源和分布有重要作用。
2.3 食品安全领域•农药残留分析：毛细管电泳法可以用于食品中农药残留的检测，对于保证食品安全和农产品质量具有重要意义。
•食品添加剂分析：毛细管电泳法可用于食品添加剂的定性和定量分析，用于食品质量控制和标签声明的验证等。
毛细管电泳法
毛细管电泳法简介毛细管电泳法是一种常用于分离和检测化学物质的分析技术。
它基于样品在电场作用下在毛细管中的迁移速度的差异，利用电泳现象进行分离。
该方法具有分离效果好、分析速度快、样品消耗少等优点，被广泛应用于生物、环境、食品等领域的分析研究。
原理毛细管电泳法的基本原理是利用电场作用下带电粒子在毛细管中的迁移速度差异分离物质。
当样品通过直径较小的毛细管时，由于电场的作用，带电物质会在毛细管中产生电泳迁移。
迁移速度快的物质会较早到达检测器位置，而迁移速度慢的物质则会滞留在毛细管中，从而实现了物质的分离。
毛细管电泳法主要利用了物质在电场、毛细管中的迁移速度与其电荷、粒径、溶剂性质等因素之间的关系。
其中，电荷是最重要的因素之一。
毛细管电泳法可分为两种类型：正交电泳和非正交电泳。
正交电泳主要用于带电物质的分离，而非正交电泳则用于非带电物质的分离。
操作步骤1. 准备工作在进行毛细管电泳实验之前，需要准备好以下实验器材和试剂：•毛细管电泳仪•毛细管•电解质缓冲液•样品溶液2. 设置电泳条件根据实验需要，设置好合适的电场强度、电解液pH值和缓冲液浓度等参数。
这些参数的选择对于实验结果的准确性和分离效果的好坏至关重要。
3. 毛细管填充将毛细管浸入缓冲液中，通过电力作用使缓冲液进入毛细管，直至毛细管完全填充。
4. 样品进样通过微量注射器将样品溶液缓慢注入毛细管，注意避免气泡的产生。
5. 开始电泳将毛细管两端插入正、负电极中，开启电源，开始电泳过程。
6. 结果分析根据实验需要，可以选择不同的检测方法进行结果分析，如紫外检测、荧光检测等。
应用领域毛细管电泳法广泛应用于生物、环境、食品等领域的分析研究。
具体的应用包括：1.蛋白质分析：毛细管电泳法可用于蛋白质的分离和定量分析，对于药物研发、生物学研究等具有重要意义。
2.DNA分析：毛细管电泳法可以用于DNA序列分析、基因突变检测、DNA测序等领域，对于遗传学研究、法医学等具有重要意义。
《毛细管电泳法》PPT课件
；
毛细管凝胶电泳综合了电泳技术和平板 凝胶电泳的优点 :
电泳峰锋利，柱效极高 短柱上实现极好的分别 试样容量为10－12g
主要缺陷:制备柱较困难，寿命较短 已成为分别分析生物大分子如蛋白质、 多肽、核 酸、DNA等强有力的工具。 例运用CGE分别与激光诱导荧光检测相 结合，用于DNA序列快速分析。
；
5 毛细管等电聚焦 CIEF
1、毛细管内充有两性电解质〔合成的具有不同等电点 范围的脂肪族多胺基多羧酸混合物〕，当施加直流电压 〔6～8V〕时，管内将建立一个由阳极到阴极逐渐升高 的pH梯度；
2、氨基酸、蛋白质、多肽等的所带电荷与溶液pH有 关，在酸性溶液中带正电荷，反之带负电荷。在其等电 点时，呈电中性，淌度为零；
vT=vA=vB=vC=vL 或：
TET= AEA= BEB= CEC= LEL
式中， ，有效淌度， E，电场强度
由于
T〉 A〉 B〉 C〉 L，
所以有: E T < E A < E B < E C < E L
各区带的电场强度不同。前导电解质区带的电场强度最 小。
；
假设某一区带的离子进入前一区带， 由 于电场强度变小而减速，由假设进入到 下区带，由于电场强度变大而加速， 都 退回到原区带, 结果导致各区带构成鲜 明的界面.
毛细管电泳法
Capillary Electrophoresis, CE
；
毛细管电泳是带电粒子在电场力的 驱动下，在毛细管中按其淌度或分配系 数不同进展高效、快速分别的电泳新技 术，也称为高效毛细管电泳。
一、毛细管电泳的原理 二、分别方式
毛细管电泳法
毛细管电泳法概述毛细管电泳法是一种分离和测定化合物的方法，主要通过在毛细管中施加电场，利用化合物在电场作用下的电荷性质和分子大小来实现分离。
毛细管电泳法具有快速、高效、高分辨率、高灵敏度和易于自动化等特点，广泛应用于生命科学、化学分析和药物研发等领域。
原理毛细管电泳法的原理基于化合物在溶液中的电荷性质和分子大小。
在毛细管中施加电场后，带正电荷的化合物（称为阳离子）会向负极移动，带负电荷的化合物（称为阴离子）会向正极移动。
此外，较小的分子会比较大的分子更快地移动。
毛细管电泳法通常涉及两种类型：区域电泳和溶剂前移电泳。
区域电泳区域电泳是毛细管电泳法中常用的方法。
在区域电泳中，毛细管中的电场强度不均匀，其中一个区域的电场强度较弱，另一个区域的电场强度较强。
样品被注入到电场强度较弱的区域，然后通过施加电场使样品向较强的电场区域移动。
不同化合物的迁移速度取决于它们的电荷和分子大小，因此可以实现化合物的分离。
溶剂前移电泳溶剂前移电泳是另一种常用的毛细管电泳法。
在溶剂前移电泳中，毛细管中的电场强度是均匀的。
样品被注入到毛细管中，然后施加电场使样品移动。
不同化合物的迁移速度取决于它们在溶剂中的溶解度和电荷性质，因此可以实现化合物的分离。
仪器和操作步骤进行毛细管电泳法需要一些特定的仪器和材料，如毛细管电泳仪、毛细管、高电压电源、样品注射器、电解质缓冲液等。
下面是一般的操作步骤：1.准备工作：检查仪器是否正常工作，准备所需的电解质缓冲液和样品。
2.毛细管准备：将毛细管切割为适当长度，并连接到毛细管电泳仪。
3.缓冲液填充：将电解质缓冲液注入毛细管的两端，确保整个毛细管都充满缓冲液。
4.样品注射：使用样品注射器将待分离的样品缓慢而均匀地注入到毛细管中。
注射点距离电极一定距离。
5.施加电场：从高电压电源上施加适当的电场，在实验过程中保持稳定电场。
6.记录结果：观察样品的迁移情况，根据需要调整电场强度和时间，记录分离结果。
毛细管电泳法的使用方法
毛细管电泳法的使用方法毛细管电泳法是一种分离和分析化学物质的常用方法，它基于物质在电场中的运动速度差异而实现分离。
适用于各种复杂样品的分析，包括生物样品、环境样品和食品样品等。
本文将介绍毛细管电泳法的使用方法。
一、实验准备1. 仪器准备：毛细管电泳仪和电泳装置是进行毛细管电泳分析的关键设备。
确保仪器完好无损，并根据仪器的使用说明进行正确操作和维护。
2. 毛细管准备：选择适当的毛细管，一般为无机硅玻璃或石英毛细管。
根据分析需求，选择不同内径和长度的毛细管。
3. 缓冲溶液准备：根据分析的目标物质的性质，选择合适的缓冲溶液。
常用的缓冲溶液包括磷酸盐缓冲液、乙酸缓冲液等。
根据需要，可以添加其他辅助剂来改善分离效果。
二、样品制备1. 样品处理：根据分析目标，选择合适的处理方法。
常见的样品处理方法包括离心、过滤、稀释、萃取等。
2. 样品溶解：将处理后的样品溶解于适当的溶剂中，并进行必要的稀释。
保证样品的浓度范围适合毛细管电泳的检测方法。
3. 样品准备：将样品注入样品瓶中，并保持封闭状态，以防止污染和样品损失。
三、实验操作1. 建立分析方法：根据样品性质和目标物质的不同，确定最适合的毛细管电泳分析方法。
包括电泳条件的选择、运行缓冲溶液的优化以及检测参数的设置等。
2. 毛细管填充：在进行毛细管电泳之前，需要将毛细管填充成电泳缓冲液中的一种或多种成分。
常用的填充方法包括静态填充法、动态填充法和电泳填充法。
3. 毛细管电泳条件的设定：根据样品的性质和分析目标的要求，设定合适的毛细管电泳条件，包括电压、电流、温度、电泳缓冲液的浓度和pH值等。
4. 样品注入和分析：将样品通过母液喷射装置或静态注射装置注入到填充好的毛细管中，然后开启电源，进行电泳分析。
5. 检测和数据分析：通过检测器对分离后的化合物进行检测，并记录峰的峰高和峰面积等参数。
利用这些数据进行数据分析和结果解释。
四、实验注意事项1. 仪器操作：严格按照仪器的使用说明进行操作，保证实验安全和设备的长期稳定性。
毛细管电泳法
毛细管电泳法分离水杨酸、苯甲酸及阿司匹林中的含量测定毛细管电泳法分离水杨酸、苯甲酸及阿司匹林中的含量测定毛细管电泳又称高效毛细管电泳( High Performance Capillary Electrophoresis, HPCE) 是一种仪器分析方法。
通过施加10-40kV 的高电压于充有缓冲液的极细毛细管，对液体中离子或荷电粒子进行高效、快速的分离。
现在，HPCE 已广泛应用于氨基酸、蛋白质、多肽、低聚核苷酸、DNA 等生物分子分离分析，药物分析，临床分析，无机离子分析，有机分子分析，糖和低聚糖分析及高聚物和粒子的分离分析。
人类基因组工程中DNA 的分离是用毛细管电泳仪进行的。
毛细管电泳较高效液相色谱有较多的优点。
其中之一是仪器结构 简单（见图1）。
它包括一个高电压源，一根毛细管，紫外检测器及计算机处理数据装置。
另有两个供毛细管两端插入而又可和电源相连的缓冲液池。
high-v oltagepower supply BufferV ialBuffer V ial Detector Recording dev icecapillaryElectrode Electrode图1 CE 仪器组成示意图毛细管中的带电粒子在电场的作用下，一方面发生定向移动的电泳迁移，另一方面，由于电泳过程伴随电渗现象，粒子的运动速度还明显受到溶液电渗流速度的影响。
粒子的实际流速 V 是电泳流速度 Vep 和渗流速度 Veo 的矢量和。
即:V = Vep + Veo (1)电渗流是一种液体相对于带电的管壁移动的现象。
溶液的这一运动是由硅/水表面的Zeta 势引起的。
CE 通常采用的石英毛细管柱表面一般情况下(pH>3)带负电。
当它和溶液接触时，双电层中产生了过剩的阳离子。
高电压下这些水合阳离子向阴极迁移形成一个扁平的塞子流，如图2。
毛细管管壁的带电状态可以进行修饰，管壁吸附阴离子表面活性剂增加电渗流， 管壁吸附阳离子表面活性剂减少电渗流甚至改变电渗流的方向。
药物分析中的毛细管电泳法测定药物结构
药物分析中的毛细管电泳法测定药物结构毛细管电泳法是一种常用的药物分析技术，可用于测定药物结构。
本文将介绍毛细管电泳法的原理、操作步骤、应用领域和优势等相关内容。
一、毛细管电泳法的原理毛细管电泳法是一种基于电动力和电荷选择性的分离技术，通过在毛细管中施加电场，使带电的药物分子在电场作用下沿着毛细管迁移，从而实现药物分离和结构测定。
毛细管材料、电解液组成、电场强度和药物分子的特性等因素都会影响分离效果和测定结果。
二、毛细管电泳法的操作步骤1. 毛细管准备：选择合适的毛细管，常用的有硅胶毛细管、聚合物毛细管和玻璃毛细管等，根据不同的药物性质选择合适的毛细管材料。
2. 电解液准备：根据药物的电荷性质和分离要求选择合适的电解液组成，常用的有缓冲液、有机溶液和离子对等。
3. 样品处理：将待测试的药物样品进行处理，通常包括样品前处理和样品标记等步骤，以增强分离效果和信号检测。
4. 注射样品：将经处理的药物样品通过注射器等装置注入到毛细管中，保持注射速度稳定。
5. 施加电场：连接电泳设备，根据药物分子特性和需要进行电场强度的设定。
6. 结果分析：根据电泳的运行时间、药物分离的位置和检测信号等信息，进行结果分析和药物结构测定。
三、毛细管电泳法的应用领域毛细管电泳法在药物分析领域有广泛的应用。
主要应用于药物结构分析、药物成分分离和纯度测定等方面。
它具有检测迅速、高分辨率、需样品量少和方法简便等优点，适合于复杂样品和微量样品的分析。
四、毛细管电泳法的优势1. 高分离效果：毛细管电泳法能够有效地分离药物分子，尤其适用于复杂样品的分析。
2. 快速分析：相比传统的色谱技术，毛细管电泳法具有分离速度快的优势，能够提高分析效率。
3. 小样品量：毛细管电泳法对样品量的要求较低，适合于微量样品的分析。
4. 简便易行：操作步骤相对简单，不需要复杂的样品准备和设备操作。
综上所述，毛细管电泳法是一种重要的药物分析技术，其原理、操作步骤、应用领域和优势使其成为药物结构测定的有力工具。
毛细管电泳法
第一节
（一）原理
毛细管电泳法
毛细管电泳（CE）亦称为高效毛细管电泳法（HPCE），是20 世纪80年代发展起来的一类高效快速的分离分析方法。该法系以弹性
毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力，依据样品中各组分的
淌度（单位电场强度下的迁移 速度）和分配行为的差异而实
现分离，因此可将其视为经典
电泳技术和现代微柱分离相结 合的产物。
每次进样之前毛细管要用不同的溶液冲洗，选用自动冲洗进样仪器较为
方便。进样方法有压力进样、负压进样、虹吸进样和电动进样等。进样
时通过控制压力、电压或时间来控制进样量。
5.检测器
紫外检测器，荧光检测器，电化学检测器，质谱仪等均可作为CE 的检测器。其中紫外检测器应用最广，它是将毛细管接近出口端的外 层聚合物剥去约2mm一段，使石英管壁裸露，毛细管两侧各放置一 个石英聚光球，使光源聚焦在毛细管上，透过毛细管到达光电池对溶 质进行检测。
2.胶束电动毛细管色谱（MEKC或MECC）
该法系以胶束为假固定相的一种电动色谱。 当操作缓冲液加入大于其临界胶束浓度的离子型表面活性剂如十 二烷基硫酸钠（SDS）或十六烷基三甲基溴化胺（CTAB）、胆酸等， 这时表面活性剂就聚集形成胶束（假固定相），其亲水端朝外，
憎水非极性核朝内，溶质则在水和胶束两相间分配，各溶质因分
其中以色谱为主，但对荷电溶质兼有电泳作用。 该法克服了CE选择性差和分离中性物质困难的缺点，同 时提高了液相色谱的分离效率，形成其独特的高效、微量、 快捷的特点，开辟了高效微柱分离技术的新途径。
二、仪器设备
（一）毛细管电泳仪的基本结构（见下图）
1.电极槽和进样系统 2.清洗系统 3.毛细管 4.检测器 5.铂电极 6.电极槽 7.恒温系统 8.记录和数据处理
毛细管电泳
分离的原因：电泳迁移，电渗迁移电泳迁移：在高压电场下，带电离子向相反的方向移动。
电渗迁移：当毛细管内充满缓冲溶液时，毛细管壁上的硅羟基发生解离，生成氢离子溶解在溶液中，这样就使毛细管壁带上负电荷与溶液形成双电层，在毛细管的两端加上直流电场后，带正电的溶液就会整体的向负极端移动，这就形成了电渗流。
在操作缓冲溶液中，带电粒子的运动速度等于电泳速度和电渗速度的矢量和，电渗速度一般大于电泳速度，因此即使是阴离子也会从阳极端流向阴极端。
加大缓冲溶液的酸度、在缓冲溶液中加入有机试剂都会减少硅羟基的解离，减小电渗流。
分离模式毛细管电泳的分离模式有以下几种。
（1）毛细管区带电泳（CZE）将待分析溶液引入毛细管进样一端，施加直流电压后，各组分按各自的电泳流和电渗流的矢量和流向毛细管出口端，按阳离子、中性粒子和阴离子及其电荷大小的顺序通过检测器。
中性组分彼此不能分离。
出峰时间称为迁移时间（tm），相当于高效液相色谱和气相色谱中的保留时间。
（2）毛细管凝胶电泳（CGE）在毛细管中装入单体和引发剂引发聚合反应生成凝胶，这种方法主要用于分析蛋白质、DNA等生物大分子。
另外还可以利用聚合物溶液，如葡聚糖等的筛分作用进行分析，称为毛细管无胶筛分。
有时将它们统称为毛细管筛分电泳，下分为凝胶电泳和无胶筛分两类。
（3）毛细管等速电泳（CITP）采用前导电解质和尾随电解质，在毛细管中充入前导电解质后，进样，电极槽中换用尾随电解质进行电泳分析，带不同电荷的组分迁移至各个狭窄的区带，然后依次通过检测器。
（4）毛细管等电聚焦电泳（CIEF）将毛细管内壁涂覆聚合物减小电渗流，再将样品和两性电解质混合进样，两个电极槽中分别加入酸液和碱液，施加电压后毛细管中的操作电解质溶液逐渐形成pH梯度，各溶质在毛细管中迁移至各自等电点（pI）时变为中性形成聚焦的区带，而后用压力或改变检测器末端电极槽储液的pH值的办法使溶质通过检测器。
（5）胶束电动毛细管色谱（MEKC或MECC）当操作缓冲液中加入大于其临界胶束浓度的离子型表面活性剂时表面活性剂就聚集形成胶束，其亲水端朝外憎水非极性核朝内，溶质则在水和胶束两相间分配，各溶质因分配系数存在差别而被分离。
毛细管电泳法
毛细管电泳法电泳（electrophoresis）是电解质中带电粒子在电场作用下想电荷相反方向迁移的现象，利用种现象对物质进行分离分析的方法，称之为电泳法。
电泳已有近百年历史，在生物和生物化学发展中有重要的意义，Tiselins等用电泳法从人血清中分离出清蛋白、α-、β-和γ-球蛋白，由于他们的杰出贡献，1948年荣获诺贝尔化学奖。
经典电泳最大的局限性在于难以克服由高电压引起的电解质的自解，称为焦耳热（J oule heating），这种影响随电场强度的增大而迅速加剧，因此限制了高压电的应用。
毛细管电泳（Capillary electrophoresis,CE）是在散热效率很高的毛细管内进行的电泳，可以应用高压电，极大地改善了分离效果。
毛细管电泳的开创性工作一般认为是在1981年，Jorgenson和Lukacs使用内径75µm的毛细管柱，分离丹酰化氨基酸，获得了40万/米理论塔板数的高柱效，充分展现了细内经毛细管电泳的巨大潜力。
他们还从理论上证明，毛细管电泳柱效与电场强度成正比，与分子扩散系数成反比，这样意味着外加高电压可以获高柱效，而且分离扩散系数小的分子，如生物大分子可以更有效。
随着1988年商品仪器的迅速推出，毛细管电泳开始突飞猛进的发展。
近年来又建立了芯片式毛细管电泳（Chip capillary electrophoresis；CCE）和阵列毛细管电泳（capillary array electrophoresis；CAE）。
芯片式毛细管电泳利用刻制在载玻片上的毛细通道进行电泳，可以在秒级时间内完成上百的样品的同时分析。
阵列式毛细管芯片有多条电泳通道，如Mathies实验室理由具有96条放射状分布的阵列毛细管芯片在25min内完成了四色M13标准DNA的测序工作。
此外，还实现了样品预处理及柱后衍生化芯片式毛细管电泳。
毛细管电泳对单细胞成分的分析、对疾病的早期诊断和特定药物的研究开发都具有重大的意义。
《毛细管电泳原理》课件
分离的程度。
分辨率
02
分辨率是指毛细管电泳谱中相邻两峰之间的分离程度，分辨率
越高，分离效果越好。
检测限
03
指在毛细管电泳谱中能够检测到的最小样品浓度，检测限越低
，灵敏度越高。
定量分析
标准曲线法
通过绘制标准曲线，将毛细管电泳谱中的峰高或峰面积与样品浓度进行线性回归 分析，从而进行定量分析。
内标法
通过在样品中加入内标物，利用内标物与样品中各组分的分离度和响应因子相同 的特点，进行定量分析。
数据分析方法
峰高法
通过测量毛细管电泳谱中各组分的峰高，利用峰高与样品浓 度的线性关系进行定量分析。
峰面积法
通过积分毛细管电泳谱中各组分的峰面积，利用峰面积与样 品浓度的线性关系进行定量分析。
05
毛细管电泳的优缺点与展望
优点与缺点
高分离效能
毛细管电泳具有极高的分离效率，可 实现复杂样品的快速分离。
药物分析
毛细管电泳在药物分析中 可用于药物成分的分离和 检测，以及药物代谢产物 的分析。
食品安全
毛细管电泳可用于食品安 全检测，如食品添加剂、 农药残留等的检测。
02
毛细管电泳的仪器与实验条
件
仪器介绍
毛细管电泳仪的基本构成
检测器的选择
包括高压电源、进样系统、毛细管电 泳柱、检测器和数据采集系统等部分 。
配制电解质溶液
按照所需的浓度和比例，配制 电解质溶液。
数据处理与分析
采集实验数据，进行数据处理 和分析，得出结论。
03
毛细管电泳的分离模式与分
离机制
分离模式
毛细管区带电泳（CZE）
胶束电动色谱（MEKC）
毛细管凝胶电泳（CGE）
毛细管电泳的原理
毛细管电泳的原理
毛细管电泳是一种高效液相色谱技术，利用电场的作用将样品中的化合物沿着内径较小的毛细管进行分离和分析。
在毛细管电泳中，有两种常用的电泳模式：毛细管区带电泳和开列电泳。
毛细管区带电泳中，毛细管两端分别注入带有不同荧光标记的样品，再施加直流电场，荧光标记的样品由于在电场作用下带电移动，在毛细管中形成不同带电物质的区带；而在开列电泳中，毛细管中注入样品后，在施加电场的同时使用在线探测器进行实时监测，通过测量峰面积或峰高来判断样品的含量。
毛细管电泳的分离机理主要包括电泳迁移和色谱效应两个因素。
电泳迁移是指样品分子在电场作用下由于带电而移动，其移动速度与电场强度和分子带电量有关；色谱效应是指毛细管内壁与样品分子的相互作用，在毛细管中形成不同的分离机制，如离子交换、氢键作用、静电作用等。
毛细管电泳的原理还与毛细管内径、电场强度、缓冲液pH值
等因素有关。
毛细管内径越小，分离效率越高；电场强度越大，迁移速度越快，但也会增加毛细管的热效应；缓冲液pH值的
选择要根据样品的性质来确定。
在实际应用中，毛细管电泳具有分离效率高、分析速度快、耗样量小、操作简便等优点。
它广泛应用于生物医药、环境监测、食品安全等领域。
同时，还可以与其他技术如质谱联用，进一步提高分析的灵敏度和准确性。
毛细管电泳法课件
在不考虑相互作用的前提下，粒子在毛细管介质中 的运动速度是泳流速度和渗流速度的矢量和。一般情况 下，电渗流速度是电泳流速度的5-7倍，混合物中所有
的组份随电渗流朝一个方向迁移。 V V e V o e ( p μ e μ o e ) E p
式中 E：场强
μeo电泳淌度 μep电渗淌度
毛细管电泳法课件
12.2 原理
•电渗流方向：高电位 低电位 •正溶质离子所受的力：电场力 + 电渗力 •负溶质离子所受的力：电场力 电渗力 •中性分子所受的力：电渗力
柱效：N＝5.54（tR /W1/2)2 tR、W1/2取同一单位
毛细管电泳法课件
• 溶质迁移方向由电场力和电渗力的矢量和决定，一般来说， 溶质迁移方向与电渗流同。
表面活性剂的浓度足够大时，单体结合在一起，形成 一个球体，称为胶束，这个足够大的浓度称为临界浓度。
毛细管电泳法课件
12.4.3 毛细管离子分析 加电渗流改性剂使电渗流反向，用于淌度很大的
离子的分离，主要是无机阴离子的分离。负高压 加阳离子表面活性剂，e.g.十六烷 应用及前景
流出顺序：①正离子 ②中性粒子 ③负离子
Θ
Θ
Θ
Θ
Θ
(+) Θ 高压 Θ
Θ Θ
Θ Θ
Θ 电渗流 (－)
Θ
地
Θ
Θ
Θ
Θ
Θ
毛细管电泳法课件
Θ
Θ
Θ
Θ
Θ
电渗流
（＋）
X－ X－
X－
地
X－
X－ （－）
高压
Θ
Θ
Θ
Θ
Θ
毛细管电泳法课件
12.3 高效毛细管电泳 仪器装置图
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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中电渗流的大小与方向 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
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。
所以，迁移速度：
qE q ν= E = f 6 πγη
（球形离子）
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:
q μ= = E 6π γη
ν
4.2.1、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）。
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
4.2、理论基础
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 ( 对于球形离子： f =6πηγ；γ —离 子的表观液态动力学半径；η —介质的粘度； )
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：
V ⋅I Q= = Λm cb E 2 π r2L
；
Λm—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；
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；
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 紫外-可见 荧光 检测限/mol 特点
10-13～10-15 加二极管阵列，光谱信息 10-15～10-17 灵敏度高，样品需衍生 灵敏度极高，样品需衍生 样品需有电活性 10-17～10-19
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。
激光诱导荧光 10-18～10-21 电化学
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
ΔPd 4π t 进样体积 = 128ηL
2. 电动进样方式 毛细管一端插入样品瓶，加电压；
（μ eo ± μ ef )Vπ r 2 ct 进样量 = t L
4.2.3、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.绝对淌度(absolute mobility)μab 无限稀释溶液中带电离子在单位电场强度下的平均迁移速 度，简称淌度。可在手册中查阅。 2.有效淌度(effective mobility)μef 实际溶液中的淌度(实验中测定的)。 μef=∑aiμi ai —溶质i 的解离度；μi —溶质i 在解离状态下的绝对淌度 3.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）：
4、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，管壁处流 速为零，管中心处的速度为平均速度的2倍（引起谱带展宽 较大）。
5、 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
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
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： 内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极； 内表面带正负电荷，溶液带负电荷，电渗流流向阳极； 石英毛细管；带负电荷，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。
4.1.2、毛细管电泳分析方法
1981 年 ， Jorgenson 等 用 75 μm 内径石英毛细管进行 电泳分析，柱效高达 40 万 /m ， 促 进 电 泳 技 术发生了根本变革， 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： 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。
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。
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3.1min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 进样量极少，nL水平 4、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 ； 分子生物学、医学、药学、化学、环境保护、材料等；
νap=μap ⋅ E
4.2.4、 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。
t= Lef Lef Lef ⋅ L
ν ap
=
μ ap ⋅ E
=
μ ap ⋅ V
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
n=
μ apVLef
2 DL
=
μ ap E4⎜ ⎜Y ⎟ ⎟ ⎝ 1/ 2 ⎠
2
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
R = 0.177 ⋅
Δμ
μ apVLef
DL
μ平均
μ 平均 =
μ ap1 + μ ap 2
2
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：
2(t 2 − t1 ) R= W2 + W1
4.2.4、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；理想情况下，进样塞长度： Winj= (24D t )1/2 实际操作时进样塞长度小于或等于毛细管总长度的1% ～2%。