毛细管电泳.
毛细管等速电泳
将毛细管等速电泳应用于食品安全检测，如食品添加剂、农药残 留和毒素检测等的分离机制，以提高毛细管等速电泳的分离效果和效 率。
联用技术
将毛细管等速电泳与其他分析技术联用，如质谱、光谱等，以提高 检测灵敏度和准确性。
微型化与便携化
研究开发微型化和便携化的毛细管等速电泳设备，以满足现场快速检 测的需求。
毛细管等速电泳
目录 CONTENT
• 毛细管等速电泳简介 • 毛细管等速电泳实验技术 • 毛细管等速电泳在生物医学中的
应用 • 毛细管等速电泳的优缺点 • 毛细管等速电泳的未来发展
01
毛细管等速电泳简介
定义与原理
定义
毛细管等速电泳是一种利用电场 对带电粒子进行分离的电泳技术 。
原理
在毛细管中施加直流电场，带电 粒子在电场的作用下以不同的速 度进行迁移，通过不同时间到达 检测器，从而实现分离。
标准品
用于校准和验证实验结果。
实验步骤
准备毛细管和电解质溶液。
01
打开电泳仪电源，设置实验参数，如电压 、电流和温度等。
03
02
将毛细管连接到电泳仪上，并确保密封良好 。
04
注入电解质溶液和标准品，开始电泳分离 。
通过检测器检测带电分子，记录数据。
05
06
分析数据，得出结论。
03
毛细管等速电泳在生物医 学中的应用
高效进样技术
优化进样技术，减少样品在毛细管内的扩散和稀 释，提高检测灵敏度和准确性。
自动化与智能化
实现毛细管等速电泳的自动化和智能化，提高分 析速度和降低人工操作误差。
应用拓展
环境监测
将毛细管等速电泳应用于环境监测领域，如水质分析、土壤重金 属检测等。
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
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
§4.5毛细管电泳
电渗淌度与硅氧层表面的电荷密度成正比，与离子 强度的平方根成反比。在低pH条件下，硅氧层形 成分子（Si-OH），因而减少了表面电荷密度，故 电渗速度减小。如在pH 9的硼砂缓冲液中电渗速 度约2 mm s-1，而在pH 3介质中电渗速度减小约一 个数量级。影响电渗的一个重要因素是毛细管中因 电流作用产生的焦耳热，能使得柱中心的温度高于
app ep eo
根据以上的讨论，带正电荷的离子的μep＞0，μeo＞0， 故μapp总是为正号，离子向阴极移动；而带负电荷 的离子受电泳流的影响被阴极排斥，μep＜0，在高 pH条件下，若μeo＞μep，μapp仍为正号，离子仍然可 向阴极移动，但在低pH条件下，μapp可为负号，离 子将向反方向移动。此时必须改变电场方向，方可
0.5psi)附近。
进样时间的取值在1～5s之间，有时可超过60s。利 用压缩空气如钢瓶气可以实现正压进样，并能和毛 细管清洗系统共享，多为商品仪器采用。负压进样 需要特别精密的控制设计，容易因泄露等原因出现 不重复进样。正、负压进样都需要密封技术。压力 进样没有进样歧视现象，但选择性差，样品及其背
电渗流的另一个特点是可以使几乎所有的样品组分 不管带电不带电、电荷大小、带负电还是带正电都 以同样的方向移动。各自组分在毛细管中的流出时 间（迁移时间）取决于电渗流速度和组分电泳速度 的矢量和。在一般情况下，电渗流方向从阳极到阴 极，且电渗速度大于电泳速度，所以阴离子（除无 机离子）也在阴极流出。因此，合理地利用电渗流 可以使阳离子、中性分子、阴离子实现同时分离分 析。
电动进样对毛细管内的填充介质没有特别限制， 属普适性方法，可实现完全自动化操作，也是商 品仪器必备的进样方法。不过电动进样对离子组 分存在进样偏向，即迁移速度大者多进，小者少 进或不进，这就是所谓的进样歧视现象，这种现
毛细管电泳
•
CE开始主要用于蛋白质，多肽的分析,以 后逐渐被广泛应用于生物，化学，医药， 环保等领域。它具有分离效率高，分析速 度快，样品及试剂用量少,洁净无污染等特 点,和HPLC(高效液相色谱法)成为分析化学 中互补的技术。随着生命科学的发展，毛 细管电泳技术也有了广阔的发展空间.目前， 不同分离模式的毛细管电泳技术正成为最 重要的生物样品分离分析手段。
二.毛细管电泳基本原理
1.基本概念
有效长度 (Ld, cm)
迁移时间 (tm min)
毛细管的入口端到检测器窗口的距离；
带电粒子在电场作用下做定向移动的时间；
电泳速度（Ue cm/s） 在单位时间内，带电粒子在毛细管中定向 移动的距离； 电场强度(E V/cm) 在给定长度毛细管的两端施加一个电场后 所形成的电效应的强度；
tm = Lt2/UV
其中， U = Ue/Ueo
可见，在毛细管长度一定，某时刻电压 相同的条件下，迁移时间决定于电泳速 度Ue和电渗流速度Ueo,而两者均随组分 的不同荷质比而异;所以，基于荷质比 的差异就可以实现组分的分离。
Lt---有效长度 V---施加电压 U---溶质总流速 Ue---电泳速度 Ueo---电渗流速度
电泳仪工作示意图
三.毛细管电泳的分离模式
毛细管电泳有多种分离模式，给样品分离提供了不同的 选择机会.根据分离原理可分为:
毛细管区带电泳
毛细管凝胶电泳 CE 胶束电动力学毛细管色谱 毛细管等电聚焦电泳
毛细管区带电泳
毛细管区带电泳(CZE)也 称为自由溶液毛细管电泳, 是毛细管电泳中最简单， 应用最广泛的一种形式。 其分离机理在于：不同离子 按照各自表面电荷密度的差 异也即淌度的差异,以不同的 速度在电解质中移动,而实现 分离。当然，中性物质的淌 度差为零,所以不能以这种形 式分离。
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
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
5、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 进样端加压、出口端抽真空、虹吸进样
2. 电动进样方式 毛细管一端插入样品瓶，加电压
3. 扩散进样 试样通过扩散作用进入分离柱端口处。
七、 应用 1、离子分析
2、药物分析
采用MEKC模式， 鉴定违禁药物； 效果优于HPLG法
有关物质 有关物质 有关物质 有关物质
例：毛细管电泳（抑肽酶）
AU
ห้องสมุดไป่ตู้
0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 -0.002 -0.004 -0.006
15
18.417分钟的是去丙氨酸-去甘氨酸-抑肽酶， 18.617分钟的是去丙氨酸-抑肽酶， 18.829分钟的是抑肽酶峰
18.829
（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。 （5）色谱与电泳分离模式的结合。
4、 毛细管电色谱 CEC
在毛细管壁上键合或涂渍高效液相色谱的固定 液，以电渗流为流动相，试样组分在两相间的分配 为分离机理的电动色谱过程
固定相：依HPLC理论和经验选择，反相应用多 缓冲液：水溶液或有机溶液。
三、高效毛细管电泳分析
技术上的重要改进：
➢ 采用了0.05mm内径的毛细管 ➢ 采用了高达数千伏的电压
特点：
A、分离效率高：104理论塔板数，接近GC 空心管，无固定液，H = B/u；流型不同
B、 分离速度快：优于LC，接近GC C、进样量少：nL
四、分离过程
电泳：带电粒子在电场作用下迁移 电渗：溶剂在电场作用下的单向流动
最基本、应用广的分离模式
毛细管电泳
毛细管电泳(CE)又叫高效毛细管电泳(HPCE), 是近年来发展最快的分析方法之一。
是一类以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力的新型液相分析技术。
毛细管电泳是将电泳的场所置于毛细管中的一种电泳分离方法，它的装置结构通常由高压电源、铂电极、缓冲液池、样品池、毛细管、检测器和分析记录仪构成。
毛细管电泳分离的基本流程有进样、分离和检测三步骤。
进样：毛细管电泳的基本装置是一根充满电泳缓冲液的毛细管，与毛细管两端相连的两个小瓶微量样品从毛细管的一端通过“压力”或“电迁移”进入毛细管;
分离：电泳时，与高压电源连接的两个电极分别浸人毛细管两端小瓶的缓冲液中。
样品朝与自身所带电荷极性相反的电极方向泳动。
各组分因其分子大小、所带电荷数、等电点等性质的不同而迁移速率不同，依次移动至毛细管输出端附近的光检测器，检测、记录吸光度，并在屏幕上以迁移时间为横坐标，吸光度为纵坐标将各组分以吸收峰的形式动态直观地记录下来；检测的原理基于被测组分和背景电解质的吸光度不同，当被测组分通过检测窗时，吸光度发生的变化服从朗伯-比尔定律，即在一定的实验条件下，吸光度与被测组分的浓度成正比。
第三章毛细管电泳法
一、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。 CZE是最基本、应用广的分离模式；
第二节 毛细管电泳基础理论
+
—
一、电泳流
电泳：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。
—
+
电泳时，不同离子在电场中具有不同的定向迁移 速度，迁移速度与哪些因素有关？
淌度(μ）：单位电场下的电泳速度。 绝对淌度：在无限稀释溶液中测得的淌度。 有效电泳淌度：在实际溶液中测得的淌度。
加入有机溶剂如甲醇、乙腈，使电渗流增大。
三、CE中的参数与关系式
1.迁移时间（保留时间） CE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。 ldet ldet ldet ltot t ap ap E ap V
Vap是表观迁移速度；μap是表观淌度；ldet 是毛细管有效长度； ltot 是毛细管总长度
毛细管内径一般为20～100μm。
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 检测限/mol 10-13～10-15 特点 加二极管阵列，光谱信息
毛细管电泳法
物质的分离
毛细管电泳法特点
与传统电泳技术相比：
分离效率高：解决了因提高电压带来的焦耳热问题
分离模式多：由电渗流和电泳流共同作用结果，故有多种分类 应用范围广：有机、无机小分子，多肽、蛋白质大分子
带电离子，中性分子
最小检出限低 分析成本低：毛细管本身成本低，溶剂和试剂消耗量少
样品用量少：仅为纳升级（10-9L）
CE-MS构造
电喷雾电离（ESI）接口技术于1984年在MS中提出，溶液在高 场中毛细管端以1-10ul/min的流速喷射进入MS检测器。接着， whitehouse等人[8]的LC不能直接由CE-MS加以利用，主要原因有两个：一是 CE流量小、流速慢（大多为10~100nl/min）,不能满足各种接口 对流速的要求（2~10ul/min）；二是由于毛细管端不存在缓冲液 中，所以必须解决CE操作中的电接触问题，保证提供分离电流 回路。不过基于whitehouse等人的LC-MS接口理论，smith等[9] 将CE分离毛细管的出口端作喷射源，首先实现了CE-ESI-MS的 在线偶合。电喷雾（ESI）接口作为最早出现的在线联用接口技 术，使得被分析物带上多电荷后采用质谱仪可以检测相对分子质 量达几万甚至十几万的生物大分子。由于ESI自身的优势以及 CE-ESI-MS接口技术的日益趋于成熟, 使CE-ESI-MS已成为CEMS联用技术中占主导地位的方法。CE-ESI-MS接口主要分为鞘 液接口和无鞘液接口两种。
目录
毛细管电泳法基本原理 毛细管电泳法仪器构造 毛细管电泳法类型
毛细管电泳法特点 CE-MS构造
毛细管电泳法基本原理
•CE统指以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道， 依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现 分离的一类液相分离技术。 •通常采用25~74μm内径、长38~80cm的弹性石英毛细 管，使用10~30kV直流电压，形成高强度电场。由于细 管径的毛细管电阻率大、电流小，有效地抑制了焦耳热 效应，而且具有较大的散热比表面积，也限制了电泳过 程中溶液温度升高，使得分离柱效高，分离速度快。
毛细管电泳
带电粒子在直流电场作用下于一定介质（溶剂）中所发生的定向运动称为电泳。单位电场下的电泳速度称为 淌度。在无限稀释溶液中（稀溶液数据外推）测得的淌度称为绝对淌度。
电场中带电离子运动除了受到电场力的作用外，还会受到溶剂阻力的作用。一定时间后，两种力的作用就会 达到平衡，此时离子作匀速运动，电泳进入稳态。实际溶液的活度不同，特别是酸碱度的不同，所以样品分子的 离解度不同，电荷也将发生变化，这时的淌度可称为有效电泳淌度。一般来说，离子所带电荷越多、离解度越大、 体积越小，电泳速度就越快。
基础理论
Zeta电势
双电层
淌度
双电层是指两相之间的分离表面由相对固定和游离的两部分离子组成的。
双电层是与表面异号的离子层，凡是浸没在液体中的界面都会产生双电层。在毛细管电泳中，无论是带电粒 子的表面还是毛细管管壁的表面都有双电层。
电介质溶液中，任何带电粒子都可被看成是一个双电层系统的一部分，离子自身的电荷被异号的带电离子中 和，这些异号离子中有一些被不可逆的吸附到离子上，而另一些则游离在附近，并扩散到电介质中进行离子交换。 “固定”离子有一个切平面，它和离得最近的离子之间的电势则被称之为离子的Zeta电势。
电渗、电渗流和表观淌度电渗是推动样品迁移的另一种重要动力。所谓电渗是指毛细管中的溶剂因轴向直流 电场作用而发生的定向流动。电渗是由定域电荷引起。定域电荷是指牢固结合在管壁上、在电场作用下不能迁移 的离子或带电基团。在定域电荷吸引溶液中的反号离子并与其构成的双电层，致使溶剂在电场作用（以及碰撞作 用）下整体定向移动而形成电渗流（毛细管中的电渗流为平头塞状）。
毛细管电泳仪度随pH的升高而升高，电渗流也随之升高。因此，pH为分离条件优化时不可忽视的因素。
在CE中，分离电压也是控制电渗的一个重要参数。高电压是实现CE快速、高效的前提，电压升高，样品的迁 移加大，分析时间缩短，但毛细管中焦耳热增大，基线稳定性降低，灵敏度降低；分离电压越低，分离效果越好， 分析时间延长，峰形变宽，导致分离效率降低。因此，相对较高的分离电压会提高分离度和缩短分析时间，但电 压过高又会使谱带变宽而降低分离效率。电解质浓度相同时，非水介质中的电流值和焦耳热均比水相介质中小得 多，因而在非水介质中允许使用更高的分离电压。
第五章毛细管电泳
毛细管电泳中的zeta电势
第二种：荷电粒子表面上的zeta电势
在电介质中，任何带电粒子都可以被看成 是一个偶电层系统的一部分。在这个系统中， 粒子自身的电荷被异号的带电离子中和，这些 异号离子中有一些被不可逆地吸附到粒子上， 而另一些则游离在附近，并扩散到电介质中进 行离子交换。“固定”离子有一个切平面，它 和离得最近的游离离子间的电势称为粒子的 zeta电势。
各种电泳的主要应用方向
小型离子: CZE CITP 小分子: MECC CZE CITP 肽类 : CZE MECC CIEF CITP CGE 蛋白质: CZE CGE CIEF CITP 低聚核苷酸 : CGE MEKC DNA :CGE
毛 细 管 电 泳 仪
毛细管电泳仪的基本结构
毛细管电泳系统包括：进样、填灌/清洗、电流回 路、毛细管/温度控制、检测/记录/数据处理等部分
毛细管电泳是在散热效率极高的毛细管内进行， 它可以加上 0 ～ 30 KV 的高电压进行分离，达 到快速、高效
毛细管电泳的特点
毛细管的特点 容积小，以100㎝长、75μ m内径的毛细管计， 容积仅为4.4 μ l 侧面/截面积比大，使毛细管散热快，能承受 100 ～ 1000V/cm的高电场 能使用自由溶液、凝胶等作为支持介质 在溶液介质下能产生平面形状的电渗流
分析与微量制备
手性/异构体拆分
方法简单化 改善分辨率 快速 成本降低 方法开发过程简单
碱性药物分析—19种混合碱性药物的质量 控制分析
在其它药物分析中的应用
主成分的定量测定 痕量杂质检测 中药材成分分析/指纹图谱 中药复方制剂中化学成分测定 药物计量离子配比测定 药物代谢产物测定 药物与蛋白质的相互作用研究 滥用药物测定 药厂质控
毛细管电泳
2.基础理论的深入研究 • CE涉及许多基本的理论问题,如区带展
宽，塔板高度，热效应，电渗流，分离 度的优化等，深入的对这些问题进入研 究，将极大的推进CE技术的进一步提 高与应用。 • 针对这些理论问题，国内外许多学者进 行了大量的研究。
2020/12/7
如Rhodes和Giddings等对影响区带展宽因素进行 了定量分析；Andreev等提出了一个数学模型, 讨论了电渗流对CE效率的影响；林炳承等也对 CE中各种影响区带展宽的因素进行了定量的分 析，得到计算CE区带展宽的数学表达式，用计 算机对多肽的CE分析进行了全过程模拟。陈义 等比较系统的研究了毛细管电泳中存在的理论 问题，讨论了电泳过程中物质传输的各种动力 和描述方程、区带的迁移过程及其变化，各种 影响分离效率的因素，并对毛细管电泳检测器 及进样中的理论问题，进行了研究。以上理论 的提出，对毛细管电泳的实际应用具有重要的 指导意义。
• 后来，Mikkers等首先从理论上研究了电 场聚焦现象及其对分离区带扩展的影响， 随后在实验上用200μm内径的聚四氟乙烯 管实现了高效电泳分离，这项研究成为 CZE发展史上的第一个重大突破。
2020/12/7
• 从二十世纪八十年代初开始,Jorgenson等 使用更细的毛细管及内径为75μm的熔融 石英管做CZE，在30kV电压下每米毛细 管的效率高达4×105的理论塔板数，这 一开创性的成果成为毛细管电泳发展历 史上的一个里程碑，从此，毛细管电泳 技术开始了突飞猛进的发展。
2020/12/7
• 1983年,Hjerten首先将聚丙烯酰胺凝胶毛细管用 于CE分析，发展了毛细管凝胶电泳（capillary electrophoresis，CGE）。CGE具有极高的分辨 本领，可用于蛋白质碎片的分离及DNA序列的 快速分析。
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
第八章毛细管电泳•简介•毛细管电泳的基本原理及特点•仪器流程及主要部件•毛细管电泳的分离模式•CE相关技术•毛细管电泳的应用与发展动向•毛细管电泳发展趋势一简介毛细管电泳(Capillary electrophore s is,简称CE)也常称高效毛细管电泳（high performance capillary electrophoresis,简称HPCE ），是以内径20~200μm 的柔性毛细管柱作为分离通道，以高压直流电场为驱动力，对各种小分子，大分子以致细胞等进行高效分离，检测或微量植被等的有关技术的总称。
生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m毛细管电泳作为一种经典电泳技术与现代微柱分离有机结合的新兴分离技术, 近年来发展迅猛并得到广泛应用。
由于CE 显示了对生物分子如神经递质、肽、蛋白、核苷酸的分离分析和DNA 快速测序等的巨大潜力, 符合以生物工程为代表的生命科学对各种对象的分离分析和微量制备的需求, 所以它正逐步成为一种常用分析手段。
生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m二毛细管电泳的基本原理1.电泳分离的基础ν=µe Eν为离子移动的速度;µe 为电泳迁移率;E 为毛细管柱进样端至检测窗口间电场强度。
离子的电泳迁移率不同，在电场中移动的速度不一样，利用这个原理可以把不同的离子彼此分离。
电泳迁移率与分析物质所带电荷呈正比，与摩擦阻力系数呈反比。
如果两种物质带有不同的电荷或者通过缓冲溶液移动的摩擦力不同，那么这两种物质可以彼此分离。
生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m2.基本概念•有效长度(L d cm)毛细管的入口端到检测器窗口的距离。
•迁移时间(t m min )指一种溶质从毛细管的入口端到达检测窗口的时间。
电泳迁移时间是一个可直接通过仪器测量的量。
•电泳速度（U e cm/s )在单位时间内，带电粒子在毛细管中定向所形成的电效应的强度生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m•电泳淌度（μep cm 2/(V.s ) ）也称淌度，指单位电厂下的电泳速度，也称为迁移时间。
毛细管电泳
种现象称为电渗流，用EOF表示。
一般情况下，电渗流的运动方向与电泳运动方向相反，
电渗流迁移速度与电泳速度一样，受电场强度、溶液粘度， Zeta电势等因素有关联。电渗速度(Veo)的表达式为： 电渗流迁移速度Veo = ── E 4 : 电解常数 : 毛细管壁与表面平切面的Zeta电势 ：缓冲液黏度
(5)电势(Zeta Potential) 参与形成双电层被毛细管表面吸附的一层离子与溶液中的 游离阳离子之间会产生一个电势，称为毛细管壁Zeta电势 。毛细管壁为高电位区，中心点为低电位区，毛细管的半 径越大电位差越大，形成的电势越大。
(6)电渗流(Electroosmetic Flow) 用EOF表示 在高电压下毛细管电泳溶液中的正电荷与毛细管内壁表面 上的负电荷之间相互作用，导致流体朝负极方向运动，这
核磁共振检测器，灵敏度可达到10-21g
3.4制冷系统
(1)空气制冷：在毛细管分析室内输入制冷空气使毛细管迅
速冷却，达到制冷的目的。
(2)液体制冷：在毛细管的夹层中输入制冷液体达到制冷的
目的。
3.5电极槽 主要与存放电极缓冲液和进样，由于毛细管电泳是超微量 分析，电极液用量很少，使用的电泳槽很小。
(1)毛细管性质
不同材质制成的毛细管性能有所不同，
聚四氟乙烯毛细管：电渗小，但性能不太稳定。
普通玻璃毛细管：价格便宜，但电渗大，吸附作用大。 石英玻璃毛细管：性能稳定，电渗较大，但也有一定的 吸附。 (2)型号 细管（内经2－5m） 中粗管（内径 25－75m）
粗管（内径100－250m）
(3)毛细管的改性：
今后发展新型的毛细管电泳分离模式提供了依据。
1987年H.Jerten把等电聚焦电泳、凝胶电泳引入到毛细管 电泳中。 1989年改用10-25m的毛细管电泳,并获得满意的分离效果 1994 年又推出了 2 － 5m 的毛细管柱，使得毛细管电泳在 分析领域有了很大的发展。
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离。
• 特点：抗对流性好，散热性好，分离度极高。 • 因为蛋白质、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，所以是DAN排序 的重要手段。
胶束电动毛细管色谱（MEKC）
• MEKC 采用临界胶束浓度以上的表面活性剂在运行缓冲液 内形成疏水内核、外部带负电的动态胶束假固相，利用溶 质的疏水性差异，在溶液和胶束假固相间分配的差异进行 分离。
• 电渗现象中整体移动着的液体叫电 渗流。 • 电渗流的大小用电渗流速度V电渗 流表示，取决于电渗淌度μ 和电场 强度E。 • V电渗流= μ E • 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 表面带正电荷，溶液带负电荷，电 渗流流向阳极 • Eg：石英毛细管；带负电荷，电渗 流流向阴极；
• 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。
（2）迁移速度
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
• 不仅能分离中性溶质，而且能分离带电组分。
此表有助于 根据样品的 物化性质选 择合适的电 泳模式。
3、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 • 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；柱效常常可达105-106理论塔极数/ 米； 3. 操作方便、消耗少 • 进样量极少，每次进样的体积仅为1mL10nL 4. 应用范围极广 • 分子生物学、医学、药学、化学、环境保护、材料等
二、经典电泳分析
利用电泳现象对某些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，分离效率低，定量困 难，无法与其他分析相比子所带的有效电荷； 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 =6π η γ ；γ —离子的表观液态动力学半 径；η —介质的粘度；)
（3）电渗流现象
• 液体两端施加电压时，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。 • 电渗是CE中推动流体前进的驱动力，它使整个流体像 一个塞子一样以均匀的速度向前运动，使整个流型呈 近似扁平型的“塞式流”。它使溶质区带在毛细管内 原则上不会扩张。
第四组：
周毅 龙城 陈欣
一、概述
二、经典电泳分析
三、毛细管电泳分析法
Contents
• 毛细管电泳，又叫高效毛细管电泳（HPCE），是八十 年代问世的一种高效的液相分离方法，是经典电泳技 术和现代微柱分离相结合的产物。 • 毛细管电泳有六种不同的分离形式可供选择，具有分 析时间短，分离效率高等特点。广泛用于分离多种化 合物，如氨基酸、糖类、维生素、神经递质、DNA片 段等。毛细管电泳在食品分析、药物分析和生命科学 等领域得到了广泛应用。
• 分离机理是基于各被分离组分的荷质比之间的差异。
• 通常把CZE 看成其他各种毛细管电泳分离模式的母体。 • 应用范围包括氨基酸、多肽、蛋白质、离子、对映体拆 分和很多其他本身能带电或在一定条件下能带上电荷物 质的分离。
毛细管凝胶电泳（CGE）
• CGE 是以凝胶或高浓度线性高分子溶液为介质填充在毛细 管内而进行的电泳。被分析组分因电泳而迁移，在迁移过 程中依据分子的大小在起“分子筛”作用的凝胶中得以分
物；效果优于HPLG法。
②手性化合物分析
• 合成获得单一手性化合物相当困难，检测分析更是相 当困难； • HPCE分离分析手性化合物的方法：加入手性选择剂； • 常用手性选择剂：环糊精及其衍生物；手性冠醚；手 性表面活性剂（氨基酸衍生物、低聚糖等天然手性表 面活性剂）
③离子分析
1、毛细管电泳基本原理
• 毛细管电泳中，带电粒子的运动受到两种作用： 电泳和电渗。
• 电泳是指溶液中带电粒子(离子、胶团)在电场中 定向移动的现象，是驱动毛细管中电解质运动的 一种作用力。 • 电渗是在电场的作用下，毛细管中的溶液表层聚 集的正电荷向负极运动的现象。
（1）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。
1
毛细管区带电泳(CZE)
毛细管凝胶电泳(CZE)
2、高效毛细管 电泳分离模式
2
3 胶束电动毛细管色谱（MEKC） 4
毛细管等电聚焦(CIEF)
毛细管等速电泳（CITF）
5
6
毛细管电色谱（CEC）
毛细管区带电泳（CZE）
• CZE 是使用裸毛细管和真溶液性质的电解质缓冲溶液进 行的毛细管电泳技术，是毛细管电泳中应用最广泛、最 基本的一种分离模式。
高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进：
1、采用了内径在25~100 μm，外径300~400 μm的毛细管
2、采用了高达数千伏的电压 （1）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
（2）电压升高，电场推动力大，又可进一步使柱径变 小，柱长增加
（3）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
①
药物分析
4、毛细管电 泳的应用
② 手性化合物分析 ③ 离子分析
④ 核酸分析及DNA测序
⑤毛细管电泳—电化学 发光 分离检测技术 ⑥ 毛细管电泳离子色 谱检测离子
①药物分析
CE 对药物及其制剂的成分分析， 主要用于新药研究和开发、药品 生产过程中的质量控制、药物制
剂分析等。
采用毛细管区带电泳方式，在 11min内分离17种药物； eg：采用MEKC模式，鉴定违禁药