第五章 高效毛细管电泳分离技术

第五章高效毛细管电泳分离技术

第一节毛细管电泳技术发展简史及其特点

电泳是指带电粒子在电场作用下向电性相反的方向迁移的现象。据此对某些化学或生物化学组分进行分离的技术称为电泳技术。

从1930年瑞典科学家Arne Tiselius首次提出电泳法至今已有70年的历史。电泳法的发展大致可分为三个阶段。1950年以前属初创阶段，主要是界面移动自由电泳，一般在U型管内进行，无支持物。50年代至80年代中期出现了各种有支持物的电泳方法，如纸电泳、醋酸纤维电泳、琼脂糖电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳等，70年代后实现了仪器的自动化。80年代后期出现了毛细管电泳方法，实现了微型化、自动化、高效、快速分析，毛细管电泳技术已经成为同现代色谱技术相比的分析化学领域中的一个令人瞩目的分支。

毛细管电泳（Capillary Electrophoresis，CE）或高效毛细管电泳（High Performance Capillary Electrophoresis，HPCE）是指以毛细管为分离室、以高压电场为驱动力的一类新型现代电泳技术。毛细管电泳仪的基本结构见图5-1。

HV（0-+30KV）

图1 毛细管电泳仪的结构图

C—毛细管；D—检测器；E—电极槽；HV—直流高压电源；Pt—铂电极；S—样品；DA—数据采集处理系统

完善的毛细管电泳仪应具备（1）有多种施压模式；（2）恒温精度高，恒温范围宽；（3）精确的进样控制；（4）检测器的灵敏度高等条件。

毛细管电泳分离技术用的是内径为5-100μm，外径为370μm，长为10-100cm的弹性熔融石英毛细管，毛细管的特点是（1）体积小；（2）散热快，可承受高电场；（3）可使用自由溶液、凝胶等为支持电解质，在溶液介质下可产生平面形状的电渗流。

毛细管电泳分离技术与传统的平板电泳和现代液相色谱分离技术相比具有很多优点：（1）高效（105-107理论塔板/米）；（2）快速（几十秒至几十分钟）；（3）分离模式多，选择自由度大；（4）分析对象广，从无机离子到整个细胞；（5）高度自动化；

（6）样品需量小，运行成本低，无环境污染。

典型的模式有7种：（1）毛细管区带电泳（Capillary Zone Electrophoresis，CZE）；（2）毛细管凝胶电泳（Capillary Gel Electrophoresis，CGE）；（3）胶束毛细管色谱（Micellar Electrokinetic Capillary Chromatography，MECC）；（4）亲和毛细管电泳（Affinity Capillary Electrophoresis，ACE）；（5）毛细管电色谱（Capillary Electroosmotic Chromatography，CEC）；（6）毛细管等电聚焦（Capillary Isoelectric Focusing，CIEF）；（7）毛细管等速电泳（Capillary Isotachophoresis，CITP）。CZE是毛细管电泳的最基本形式。

第二节毛细管电泳分离技术的基本概念

1．绝对淌度和有效淌度

荷电粒子在外加电场中的泳动现象叫电泳。当一荷电粒子在电场中时，它受到一个正比于的有效电荷q和电场强度E的力，F=qE （5-1）

在电场中粒子以速度ν作平移运动，同时它又受到一个与其速度ν成正比的粘滞力F’的作用，

F’=f ν（5-2）

f为常数，称为平动磨擦系数，与粒子的大小和形状有关。当这

两个力相对平衡时，F=F’，粒子以稳态速度ν’运动，于是，ν’=qE/f （5-3）

对于球形粒子，f由Stokes定律给出，

f=6πηr （5-4）

r是粒子的表观力学半径，η是介质粘度，因此（5-3）式可变为，ν’=qE/6πηr （5-5）

因为粒子的zeta电势ζe = q / εr，所以，

ν’=εζe E / 6πη（5-6）

对于棒状粒子，

ν’=εζe E / 4πη（5-7）

由此可见，荷电粒子在电场中的运动速度，除与电场强度和介质特性有关外，还与粒子的电荷、大小、形状有关。因此粒子的电荷、大小、形状的不同，就构成了电泳分离的基础。

在微观上，用淌度（迁移速率）μe即单位电场强度下离子的电泳速度来描述，

μe=ν/E （5-8）

在一定的溶液介质中，淌度（迁移速率）μe取决于离子强度、pH、解离度，

μe=∑αiγi(μi0) （5-9）

其中αi为i级解离度，γi为活度系数，μi0为无限稀释条件下的淌度，称为绝对淌度，是离子的特征数据。μe称有效淌度(实际淌度)。

2．电渗、电渗淌度及表观淌度

电渗是毛细管中溶剂因直流电场作用而发生的定向运动。电渗起因于定位电荷。所谓定位电荷是指牢固结合在毛细管壁上，在电场的作用下不能迁移的离子或带电基团。定位电荷按电中性要求吸引溶液中的反号电荷，使其积极、聚集在自己周围的溶液中，在电场的作用下，反号电荷发生电泳，同时经碰撞等作用，带动溶液中的溶剂分子同向运动，形成电渗流。电渗的方向总是与定位电荷应有的迁移方向相反，在开管的条件下，毛细管的电渗具有平面流形，即电渗流迁移速度ν0在截面方向上为恒值，

ν0=εζ0E / η（5-10）

所以，电渗淌度（迁移率）为，

μ0=εζ0 / η（5-11）

其中ζ0为管壁的电势。在多数溶液中，毛细管的的定位电荷为负，电渗方向指向负极。当把样品从正极注入，不同符号的离子按不同的速度向负极迁移，

正离子：μap=μ0+μe ，νap= ν0+νe

中型分子：μap=μ0 ，νap =ν0

负离子：μap= μ0-μe ，νap =ν0 -νe

如果把正负号包括其中，可写成，

μap=μ0+μe，νap= ν0+νe （5-12）