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）式中μap为表观淌度，νap为表观速度。

3．两相分配与加权平均淌度当毛细管中含有除溶剂s以外的另一相（胶束或高分子等准固定相）p时，组分将在s和p相间分配（分配系数为k p），从而表观淌度发生变化，此时的迁移速度和淌度称加权平均速度ν和淌度μ。

设分配过程远快于电泳过程，则有，μ=ν/E=[μap/(1+k p)]+[μapp k p/(1+k p)] （5-13）其中k p=n p/n s，μapp为p相的表观淌度，n p和n s分别为组分在p 和s相中的分子数。

4．出峰时间出峰时间也成迁移时间和保留时间t R，在匀速迁移中有，t R=l /ν=l L /μV= [(1+k p)t ap t app]/(t app + t ap k p) （5-14）其中，t ap = l /νap，t app =l /νapp。

当电泳介质中不存在p相或组分的k p较小时，t R=l /νap=l L /μap V= t ap；当kp十分大时，t R = l / νapp = l L / μapp V = t app。

5．极限电泳效率和极限分离度毛细管电泳的峰展宽来自进样、分离和检测，以方差σ2表示为，σ2=σin2+σsep2+σdet2（5-15）其中下标in、sep、det分别指进样、分离和检测。

CE一般为柱上检测，此时σdet2 取决于检测系统电子线路的响应时间，通常小于σ2的10%。

σin2取决于进样方法和进样量，在塞状进样（如电迁移和压力）时，σin2=z2/12（z为样品塞的长度），一般小于σ2的10%。

σsep2包括扩散展宽（σD2=2Dt R，D为组分在介质中的扩散系数）、热展宽、相分配展宽等多种因素。

在理想的情况下，后二者可以忽略，因此有σ2=σD2。

仅由扩散控制的电泳效率称为极限电泳效率，用理论塔板数N表示，N=l2/σD2=l2/2Dt R=lν/2D=l Vμ/2LD （5-16）与极限电泳效率相对应的分离度R S称极限分离度，R S=（μ1-μ2）（V l / 32μLD）1/2（5-17）其中下标1和2表示任意两个相邻的峰。

第三节毛细管电泳检测与进样技术5.3.1 毛细管电泳常用检测技术检测器是毛细管电泳仪器的关键部件，灵敏度是检测器的重要指标。

常用的商品检测器有紫外和荧光两种，此外也有电化学和质谱检测器。

就紫外型检测器而言，灵敏度顺序为：固定波长>可变波长>光电管>二极管。

1．紫外检测器这是HPLC和HPCE中使用最多的一种，它的原理就是郎格-比耳定律。

目前有三种主要类型，即固定波长、可变波长、二极管阵列检测器。

需要指出的是紫外检测器因其光路长度受毛细管内径的限制，使得其检测灵敏度相对较低，通常在几个ppm 的水平上，它的线性范围通常在3-4个数量级。

它的检测光窗就在毛细管柱上。

2．荧光检测器荧光检测器是HPCE 灵敏度较高的一种检测器，它的检测下限可到10E-15 mol的水平，激光诱导荧光检测器的灵敏度则更高。

它的原理与HPLC中荧光检测器相同，激发光可以是紫外光，也可以是激光。

与紫外光谱一样，荧光检测也是在柱上进行，它是将一个弧光灯或一束激光发生的辐射聚焦在毛细管壁上，通过一个棱镜系统或者光导纤维将产生的荧光收集到一个与激光光束成90度的位置。

通常用的激光光源的波长是325nm，强度为5-10 mV的He-Cd 光源，它的价格也相对较为便宜。

虽然荧光检测器的灵敏度较高，但是其通用性较差，因为很多感兴趣的物质没有荧光，这就需要进行衍生化，操作步骤复杂，而且其价格比紫外检测器高出很多，限制了其推广与应用。

Ar 激光光源488 nm，25 mW，10-12----10-15 M检测浓度。

3．电化学检测器电化学检测器是微柱分离体系的理想检测方法。

这主要由于反应是在电极表面上进行，检测池的小型化有利于待测物质向电极表面的传递。

当电极表面积减小时，可提高信噪比，因此，毛细管电泳的电化学检测器允许使用微电极。

电化学检测法主要有安培法、电导法和电势法，其中安培法最灵敏。

利用碳电极和金属电极进行HPCE安培检测，检测限可达10-8-10-9mol/L。

由于其只对电活性物质有响应，选择性较好。

安培检测器不需光学元器件，制造简单，造价低。

因此其作为电化学检测的代表正在成为生化分析技术中很有前景的新技术。

这种检测技术存在有两大难题，即HPCE分离高压电场对电化学微小检测信号干扰的消除以及用于检测的微电极（5-20um）的的固定、安放问题。

为此发展了高压电场隔离接口以及离柱、柱端、柱上安培检测方式等，很好地解决了上述问题。

4．质谱检测器质谱可以提供检测物质分子量和结构信息的重要检测技术，质谱仪有很多种类，其中电喷雾质谱由于可以确定的分子量达到10万，因此作为首选仪器而被采用。

对于该种检测器，毛细管末端的电压为4kV，质谱对电极的电压为1kV，在电场的作用下，形成阳离子群，富集后形成液滴，经蒸发，离子进入质量分析器得到测定。

在四极滤质、离子阱和傅利叶变换离子回旋共振MS作为CE检测器时，获得一张完整质谱图需要较长的时间(0.1-2s)，对CE馏分无法作出快速响应。