第五章 高效毛细管电泳

ν+ =ν电渗流 + ν+ef ν- =ν电渗流 - ν-ef ν0 =ν电渗流
一致； 阳离子运动方向与电渗流一致 阳离子运动方向与电渗流一致； 阴离子运动方向与电渗流相反； 阴离子运动方向与电渗流相反； 相反 中性粒子运动方向与电渗流一致； 中性粒子运动方向与电渗流一致；
（1）可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离； 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， 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； 如同改变LC中的流速； LC中的流速 （3）电渗流的微小变化影响结果的重现性； 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。 HPCE中 控制电渗流非常重要。
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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， 使溶液的黏度增大，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； 加入不同阳离子表面活性剂 来控制电渗流。 加入阴离子表面活性剂，如 十二烷基硫酸钠（SDS），可以使 壁表面负电荷增加，zeta电势增 大，电渗流增大； （3）加入有机溶剂如甲醇、乙腈， 使电渗流增大。
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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）。
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5. HPCE中电渗流的作用
电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的5～7倍； 电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的5 各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为： 各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为：
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三、HPCE 三、HPCE中影响电渗流的因素 HPCE中影响电渗流的因素
1.电场强度的影响 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 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；
q = = E 6 γη π
ν
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Electroosmosis and electroosmotic flow
1.电渗流现象 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 双电层，二者之间存在电位差。 双电层 当液体两端施加电压时， 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， 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。 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 电渗流（ 液体叫电渗流（electroosmotic flow ，简称 简称EOF）。 ）。
进样量极少，水介质中进行；
4.应用范围极广 4.应用范围极广
有机物、无机物、生物、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；
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第二节 高效毛细管电泳理论基础
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一、高效毛细管电泳(HPCE)基本原理 一、高效毛细管电泳(HPCE)基本原理
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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。 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” 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； 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、 HPCE中的焦耳热与背景电解质的摩尔电导、浓度及电场 中的焦耳热与背景电解质的摩尔电导 强度成正比。 强度成正比。 温度每变化1 将引起背景电解质溶液黏度变化2%～3%； 温度每变化1，将引起背景电解质溶液黏度变化2%～3%； 2%
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3. 电解质溶液性质的影响
（1）溶液pH的影响 溶液pH的影响 pH 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=7，达到最大 pH=7， pH=7 达到最大； 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 在其他条件相同，浓度相同而阴离子不同时，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。
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高效毛细管电泳的特点
1.仪器简单、 1.仪器简单、易自动化 仪器简单
电源、毛细管、检测器、溶液瓶
2.分析速度快、 2.分析速度快、分离效率高 分析速度快
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、 3.操作方便、消耗少 操作方便
第五章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
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高效毛细管电泳
概述 理论基础 仪器组成 分离模式 应用
一、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。 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； 发现样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定； 发现样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定； 样品的迁移速度和方向由其电荷和淌度决定 第一次的自由溶液电泳；第一台电泳仪； 第一次的自由溶液电泳；第一台电泳仪； 1948年，获诺贝尔化学奖； 年 获诺贝尔化学奖；
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三、高效毛细管电泳
High Performance Capillary Electrophoresis
采取了两项重要改进： HPCE 采取了两项重要改进： 0.05mm 内径的石英毛细管；高达数千伏的电压. 05mm 内径的石英毛细管；高达数千伏的电压. 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
ν电渗流 = ε0εξ E
实际电泳分析，可在实验测定相应参数后， 实际电泳分析，可在实验测定相应参数后，按下式计算
ν电渗流 = 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。
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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： 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； 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； 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： 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。
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 十万块/米，特殊柱子可以达到数百万。
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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。 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 带电粒子的迁移速度=电泳+电渗流；两种速度的矢量和。 迁移速度 正离子：两种效应的运动方向一致 两种效应的运动方向一致， 负极最先流出； 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； 无电泳现象， 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 两种效应的运动方向相反。ν电渗流 >ν电泳时,阴 阴离子 两种效应的运动方向相反 离子在负极最后流出,在这种情况下,不但可以按类分离,除中 性粒子外,同种类离子由于受到的电场力大小不一样也同时被 相互分离。
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二、电渗现象与电渗流
2.HPCE中的电渗现象与电渗流
石英毛细管柱，内充液pH>3时 表面电离成石英毛细管柱，内充液pH>3时，表面电离成-SiO-,管 pH>3 内壁带负电荷，形成双电层。 内壁带负电荷，形成双电层。 在高电场的作用下， 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， 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， 的溶液整体向负极移动，速度ν电渗流。
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； )
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所以，迁移速度： 所以，迁移速度：
qE q ν= E = f 6π γη
（球形离子）
物质离子在电场中差速迁移是电泳分离的基础。 物质离子在电场中差速迁移是电泳分离的基础。 差速迁移是电泳分离的基础 淌度 单位电场强度下的平均电泳速度。 淌度 ：单位电场强度下的平均电泳速度。
四、淌度
ai —溶质i
的解离度；i —溶i 在解离状态下的绝对淌度
3.表观淌度 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）：