毛细管电泳法的特点和CE-MS的构造
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毛细管电泳和毛细管电色谱
用于水体、土壤、空气等环境 样品中污染物和农药残留的检 测，有助于环境保护和治理。
其他领域
毛细管电泳还应用于食品分析 、冶金、地质等领域，可用于 金属离子、矿物成分等的分离
和检测。
02 毛细管电泳技术
CHAPTER
进样技术
压力进样
通过施加压力使样品进 入毛细管，适用于大体
积样品。
电动进样
利用电场力驱动样品进 入毛细管，适用于低粘
电解质浓度
影响电场强度和离子迁移率。
温度
影响分子热运动和扩散系数。
毛细管材料和内壁处理
影响样品在毛细管内的吸附和分离效 果。
03 毛细管电泳实验
CHAPTER
实验流程
安装毛细管
选择合适的毛细管，将其插入 仪器，确保密封良好。
运行实验
设定合适的实验参数，如电压、 温度、检测波长等，开始实验。
准备毛细管电泳仪
进系统
用于将样品注入到毛细管中。
实验材料
毛细管
具有微米级内径的玻璃或石英管，是电泳的分离通道。
电解质溶液
用于提供电泳所需的离子环境。
样品
待测物质，需进行适当预处理。
清洗液
用于清洗毛细管和仪器，保持实验的准确性。
04 毛细管电色谱简介
CHAPTER
定义与原理
定义
毛细管电色谱（CEC）是一种将高效电泳分离与高效液相色谱的固定相相结合 的分离技术。
亲和电泳
利用特异性亲和作用进行分离 ，如抗体-抗原、酶-抑制剂等
。
检测方法
紫外可见光谱
利用紫外可见光谱检测分离出的组分。
电化学检测
利用电化学方法对分离出的组分进行检测。
荧光检测
利用荧光物质标记待测组分，通过荧光信号 进行检测。
其他领域
毛细管电泳还应用于食品分析 、冶金、地质等领域，可用于 金属离子、矿物成分等的分离
和检测。
02 毛细管电泳技术
CHAPTER
进样技术
压力进样
通过施加压力使样品进 入毛细管，适用于大体
积样品。
电动进样
利用电场力驱动样品进 入毛细管，适用于低粘
电解质浓度
影响电场强度和离子迁移率。
温度
影响分子热运动和扩散系数。
毛细管材料和内壁处理
影响样品在毛细管内的吸附和分离效 果。
03 毛细管电泳实验
CHAPTER
实验流程
安装毛细管
选择合适的毛细管，将其插入 仪器，确保密封良好。
运行实验
设定合适的实验参数，如电压、 温度、检测波长等，开始实验。
准备毛细管电泳仪
进系统
用于将样品注入到毛细管中。
实验材料
毛细管
具有微米级内径的玻璃或石英管，是电泳的分离通道。
电解质溶液
用于提供电泳所需的离子环境。
样品
待测物质，需进行适当预处理。
清洗液
用于清洗毛细管和仪器，保持实验的准确性。
04 毛细管电色谱简介
CHAPTER
定义与原理
定义
毛细管电色谱（CEC）是一种将高效电泳分离与高效液相色谱的固定相相结合 的分离技术。
亲和电泳
利用特异性亲和作用进行分离 ，如抗体-抗原、酶-抑制剂等
。
检测方法
紫外可见光谱
利用紫外可见光谱检测分离出的组分。
电化学检测
利用电化学方法对分离出的组分进行检测。
荧光检测
利用荧光物质标记待测组分，通过荧光信号 进行检测。
毛细管电泳法 CE
CE分离原理示意图
⑴ 离子移动的速率：
e E
e
U L
U：毛细管两端施加的电压 V L：毛细管总长度 cm
e 离子运动速度 cm/s
可以看出：采用高电压使离子迅速移动和快速分离 。显然，在分离中不仅需要快速分离，更希望获得高分 离度。
⑵ 毛细管电泳的板高：
在色谱中，纵向扩散和传质阻力是影响谱峰展宽的 重要因素，而毛细管电泳只有纵向扩散影响谱峰展宽 （板高），在电泳中的塔板数：
⑷ 试样用量少：仅需几nL（10-9 L）的试样。 ⑸ 仪器简单，操作成本低：分析一个试样仅需几毫升 流动液。 ⑹ 应用：除分离生物大分子（肽、蛋白、 DNA 、糖 等）外，还可用于小分子（氨基酸、药物等）及离子 (无机、有机)，甚至可以分离各种颗粒（硅胶颗粒等）。 从无机离子到整个细胞，具有“万能”分析功能或潜力。 ⑦ 自动：CE是目前自动化程度最高的分离方法。 ⑧ 通常使用水溶液，对人和环境无害。
N eU
2D
D : 组分扩散系数 U：毛细管两端施加的电压 V
注意：N∝U，R随N增加而增加，因此要获得高的分离 度应采用高电压。电泳与色谱法不同，其塔板数并不随 柱长的加长而增加。
在毛细管电泳中，一般可采用20000～60000V的 高压，使得分离速度和分离度有明显的改善，N一般为 100000 ～200000，而HPLC N为5000～20000。 ⑶ 电渗流(EOF) ：
㈢ 改变电泳介质的温度； ㈣ 处理毛细管壁表面。
⑷ 电渗流的流型 在毛细管内，电渗流的流速轮廓适宜平面，如同瓶
塞一样流动，不存在径向的流速梯度。而在液相色谱
中，由泵推动的压差引起的流速轮廓是抛物面。这是
毛细管电泳柱效高于高效液相色谱法的原因。
⑴ 离子移动的速率：
e E
e
U L
U：毛细管两端施加的电压 V L：毛细管总长度 cm
e 离子运动速度 cm/s
可以看出：采用高电压使离子迅速移动和快速分离 。显然，在分离中不仅需要快速分离，更希望获得高分 离度。
⑵ 毛细管电泳的板高：
在色谱中，纵向扩散和传质阻力是影响谱峰展宽的 重要因素，而毛细管电泳只有纵向扩散影响谱峰展宽 （板高），在电泳中的塔板数：
⑷ 试样用量少：仅需几nL（10-9 L）的试样。 ⑸ 仪器简单，操作成本低：分析一个试样仅需几毫升 流动液。 ⑹ 应用：除分离生物大分子（肽、蛋白、 DNA 、糖 等）外，还可用于小分子（氨基酸、药物等）及离子 (无机、有机)，甚至可以分离各种颗粒（硅胶颗粒等）。 从无机离子到整个细胞，具有“万能”分析功能或潜力。 ⑦ 自动：CE是目前自动化程度最高的分离方法。 ⑧ 通常使用水溶液，对人和环境无害。
N eU
2D
D : 组分扩散系数 U：毛细管两端施加的电压 V
注意：N∝U，R随N增加而增加，因此要获得高的分离 度应采用高电压。电泳与色谱法不同，其塔板数并不随 柱长的加长而增加。
在毛细管电泳中，一般可采用20000～60000V的 高压，使得分离速度和分离度有明显的改善，N一般为 100000 ～200000，而HPLC N为5000～20000。 ⑶ 电渗流(EOF) ：
㈢ 改变电泳介质的温度； ㈣ 处理毛细管壁表面。
⑷ 电渗流的流型 在毛细管内，电渗流的流速轮廓适宜平面，如同瓶
塞一样流动，不存在径向的流速梯度。而在液相色谱
中，由泵推动的压差引起的流速轮廓是抛物面。这是
毛细管电泳柱效高于高效液相色谱法的原因。
毛细管电泳法的特点和CE-MS的构造
自动化与智能化
通过自动化和智能化技术，实现CE-MS的 远程控制和实时监测，提高分析效率。
解决实际应用中的问题
样品处理
优化样品处理方法，减少基质干扰，提高分析准确度。
交叉污染
采取有效措施减少交叉污染，如定期清洗、更换分离介质等，确保分析结果的可靠性。
谢谢
Байду номын сангаасTHANKS
03 CE-MS的构造
CHAPTER
毛细管电泳仪
高效分离
毛细管电泳仪利用电场对 带电粒子的作用力，实现 高效分离不同成分的物质。
微量进样
毛细管电泳仪采用微米级 的进样体积，可减少样品 消耗，降低实验成本。
高灵敏度
毛细管电泳技术结合激光 诱导荧光检测等高灵敏度 检测方法，可实现对痕量 物质的检测。
质谱仪
分子结构分析
质谱仪通过测量分子在电场和磁 场中的行为，确定分子的质量和
结构信息。
高选择性
质谱技术可对复杂混合物中的目标 分子进行高选择性检测，排除干扰 物质。
定量分析
质谱技术可实现目标分子的定量分 析，提供准确的物质浓度信息。
接口设计
高效传输
接口设计的主要目标是实现毛细管电 泳分离后的样品溶液高效传输至质谱 仪。
原理
在毛细管中施加电场，带电粒子在电 场作用下产生迁移，根据其在电场中 的迁移速度差异实现分离。
发展历程
1980年代初期
毛细管电泳技术开始发展，研究者发 现使用毛细管可以产生电渗流，为电 泳提供驱动力。
1980年代中期
成功分离氨基酸和多肽，奠定了毛细 管电泳在生物分析领域的应用基础。
1990年代
毛细管电泳技术得到广泛应用，涉及 蛋白质、DNA、糖类等多种生物分 子的分离分析。
毛细管电泳原理及分析策略CE
• 电渗流的波动极大的影 响了迁移时间的重复性
影响电渗流的因素
• pH值 pH越高，电渗流越大
• 离子强度 离子强度越高，电渗流越小
• 缓冲溶液添加剂 离子型表面活性剂、有机溶剂、环糊精
电渗流随pH的变化情况
控制电渗流的三个重要手段
1. 采用涂层毛细管，消除电渗流的影响 2. 改变pH，从而调整电渗流的大小。pH<3时电
CZE分离条件的选择
• 毛细管类型--涂层还是非涂层？ • 毛细管长度--长毛细管还是短毛细管？ • 缓冲液体系--种类和pH值 • 添加剂类型--甲醇|环糊精|乙腈 • 检测器选择--紫外|二极管阵列|激光诱导荧光
缓冲溶液的选择
可先用磷酸缓冲体系为搜寻基础，初步确定 （最佳）pH范围后，再进一步细选出更好pH 和缓冲试剂。磷酸盐是毛细管电泳中最常用的 缓冲体系之一，它的紫外吸收低，pH缓冲范围 比较宽（pH=1.5～13），但电导也比较大。
--MicroScale Bioseparations 2006
第六章 检测器选择
• 小分子检测 • 大分子检测
CE检测器种类及性能
• 检测系统
HPCE的 种 类 及 性 能
检测方式 紫 外 -可 见 光 吸 收
质 量 检 测 限 (mol) 10-13～ 10-16
浓 度 检 测 限 (M )* 10-5～ 10-8
• 优点
• 缺点
• 增加对弱极性物质分离 的分离度
• 在中药分析、天然产物 分析、农药分析中经常 使用
• 稳定性不佳，达到好的 重复性比较困难
第三章 毛细管凝胶电泳
毛細管內先填充凝胶(例如polyacrylamide或 cellulose)，此时凝胶会在毛細管內形成分子筛， 样品依分子量的大小在毛細管內移动速度不同 而进行分离。
影响电渗流的因素
• pH值 pH越高，电渗流越大
• 离子强度 离子强度越高，电渗流越小
• 缓冲溶液添加剂 离子型表面活性剂、有机溶剂、环糊精
电渗流随pH的变化情况
控制电渗流的三个重要手段
1. 采用涂层毛细管，消除电渗流的影响 2. 改变pH，从而调整电渗流的大小。pH<3时电
CZE分离条件的选择
• 毛细管类型--涂层还是非涂层？ • 毛细管长度--长毛细管还是短毛细管？ • 缓冲液体系--种类和pH值 • 添加剂类型--甲醇|环糊精|乙腈 • 检测器选择--紫外|二极管阵列|激光诱导荧光
缓冲溶液的选择
可先用磷酸缓冲体系为搜寻基础，初步确定 （最佳）pH范围后，再进一步细选出更好pH 和缓冲试剂。磷酸盐是毛细管电泳中最常用的 缓冲体系之一，它的紫外吸收低，pH缓冲范围 比较宽（pH=1.5～13），但电导也比较大。
--MicroScale Bioseparations 2006
第六章 检测器选择
• 小分子检测 • 大分子检测
CE检测器种类及性能
• 检测系统
HPCE的 种 类 及 性 能
检测方式 紫 外 -可 见 光 吸 收
质 量 检 测 限 (mol) 10-13～ 10-16
浓 度 检 测 限 (M )* 10-5～ 10-8
• 优点
• 缺点
• 增加对弱极性物质分离 的分离度
• 在中药分析、天然产物 分析、农药分析中经常 使用
• 稳定性不佳，达到好的 重复性比较困难
第三章 毛细管凝胶电泳
毛細管內先填充凝胶(例如polyacrylamide或 cellulose)，此时凝胶会在毛細管內形成分子筛， 样品依分子量的大小在毛細管內移动速度不同 而进行分离。
毛细管电泳
毛细管电泳科技名词定义中文名称：毛细管电泳英文名称：capillary electrophoresis;CE定义1：以毛细管为分离通道、高压电场为驱动力的电泳分离分析法。
包括毛细管自由流动电泳、毛细管区带电泳等。
应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；方法与技术（二级学科）定义2：以毛细管为分离通道、高压电场为驱动力的电泳分离分析法。
包括毛细管自由流动电泳、毛细管区带电泳、毛细管等电聚焦等。
应用学科：细胞生物学（一级学科）；细胞生物学技术（二级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布求助编辑百科名片毛细管电泳（capillary electrophoresis，CE）又称高效毛细管电泳（high performance capillary electrophoresis，HPCE），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离技术。
毛细管电泳实际上包含电泳、色谱及其交叉内容，它使分析化学得以从微升水平进入纳升水平，并使单细胞分析，乃至单分子分析成为可能。
长期困扰我们的生物大分子如蛋白质的分离分析也因此有了新的转机。
目录基础理论双电层Zeta 电势淌度、绝对淌度和有效淌度电渗、电渗流和表观淌度分类特点仪器系统影响分离因素缓冲液pH值分离电压温度添加剂进样测定药物与蛋白结合常数质谱联用微全分析系统应用综述CE在药物制剂分析中的应用CE在药物杂质检查中的应用CE在中药分析中的应用CE在手性药物分析中的应用生物样本中的药物及其代谢产物分析展望基础理论双电层Zeta 电势淌度、绝对淌度和有效淌度电渗、电渗流和表观淌度分类特点仪器系统影响分离因素缓冲液pH值分离电压温度添加剂进样测定药物与蛋白结合常数质谱联用微全分析系统应用综述CE在药物制剂分析中的应用CE在药物杂质检查中的应用CE在中药分析中的应用CE在手性药物分析中的应用生物样本中的药物及其代谢产物分析展望展开编辑本段基础理论双电层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。
毛细管电泳
上一世纪后二十年分析化学领域中发展最迅速的分离分析方法
4
高效毛细管电泳（High-Performance CE）
高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进： 高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进： 一是采用了细内径的毛细管（ 一是采用了细内径的毛细管（ 2-75 µm ）； 二是采用了高达数千伏至数万伏的电压
毛细管电泳
Capillary Electrophoresis, CE
1
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； 其电荷和淌度决定； 第一次的自由溶液电泳； 第一次的自由溶液电泳；第一 的自由溶液电泳 电泳仪； 台电泳仪； 1948年，获诺贝尔化学奖； 年 获诺贝尔化学奖；
14
5 HPCE中电渗流的流型 HPCE中电渗流的流型
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）。
15
6 HPCE中电渗流的作用 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：
10
(3)电泳淌度 电泳淌度(Electric Field Mobility，简称µep ) 电泳淌度 带电粒子在毛细管中，作定向运动的电泳速度与所在电场强度之比。电泳淌 度的单位用cm2/V.sec表示。 Ld/tm µep = Vep /E = ─── V/Lt Vep:电泳速度 E：电场强度 Ld: 毛细管入口端至检测器长度 (4) ξ电势(Zeta Potential) 电势(Zeta 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ξ电势越大。
毛细管电泳法-2012
毛细管电泳法简介
Capillary Electrophoresis
主要内容
1 2 3 4 毛细管电泳的特点和应用 毛细管电泳的理论 毛细管电泳的主要分离模式 毛细管电泳仪
何谓毛细管电泳（CE）？ 电解质中带电粒子在电场作用下向 电荷相反方向迁移的现象，称为电泳。 毛细管电泳是在散热效率很高的毛细管 内进行的电泳，可以应用高电压，极大 地改善了分离效果。
• 高压电源：0～30kV,电压稳定性在±0.1%
• 毛细管柱
–材料：要求具有化学、电学惰性，紫外可见光透光性，柔韧性，高强度，价廉。 常用材料为熔融石英，外层涂聚酰亚胺； 新材料有聚四氟乙烯。 –规 格 ： 内 径 2 0 ～ 7 5 μ m， 外 径 3 5 0 ～ 400μm；长度 ≤ 1m
毛细管电泳仪主要部件
• 指毛细管中因轴向直流电场作用而发生的溶 剂整体的定向流动。 • 双电层是电渗流产生的原因。
• 双电层是浸没在液体中所有表面具备的一种 特性，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。
电渗速度和电渗率
毛细管电色谱（CEC）
• 将HPLC中众多的固定相微粒填充到毛细管
中(或涂渍到管壁)。以样品与固定相之间的
相互作用为分离机制，以电渗流为流动相驱
动力的色谱过程称为CEC。CEC将CE的高
效和HPLC的高选择性相结合，得到了CE
研究者的青睐。90年代初解决了毛细管填
充技术后，CEC发展迅速。
毛细管电泳仪主要部件
• 电渗速度： • 电渗率：
uos os E
os os : 介质的介电常数， : 介质的粘度 : 管璧的Zeta电势
Capillary Electrophoresis
主要内容
1 2 3 4 毛细管电泳的特点和应用 毛细管电泳的理论 毛细管电泳的主要分离模式 毛细管电泳仪
何谓毛细管电泳（CE）？ 电解质中带电粒子在电场作用下向 电荷相反方向迁移的现象，称为电泳。 毛细管电泳是在散热效率很高的毛细管 内进行的电泳，可以应用高电压，极大 地改善了分离效果。
• 高压电源：0～30kV,电压稳定性在±0.1%
• 毛细管柱
–材料：要求具有化学、电学惰性，紫外可见光透光性，柔韧性，高强度，价廉。 常用材料为熔融石英，外层涂聚酰亚胺； 新材料有聚四氟乙烯。 –规 格 ： 内 径 2 0 ～ 7 5 μ m， 外 径 3 5 0 ～ 400μm；长度 ≤ 1m
毛细管电泳仪主要部件
• 指毛细管中因轴向直流电场作用而发生的溶 剂整体的定向流动。 • 双电层是电渗流产生的原因。
• 双电层是浸没在液体中所有表面具备的一种 特性，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。
电渗速度和电渗率
毛细管电色谱（CEC）
• 将HPLC中众多的固定相微粒填充到毛细管
中(或涂渍到管壁)。以样品与固定相之间的
相互作用为分离机制，以电渗流为流动相驱
动力的色谱过程称为CEC。CEC将CE的高
效和HPLC的高选择性相结合，得到了CE
研究者的青睐。90年代初解决了毛细管填
充技术后，CEC发展迅速。
毛细管电泳仪主要部件
• 电渗速度： • 电渗率：
uos os E
os os : 介质的介电常数， : 介质的粘度 : 管璧的Zeta电势
第五章毛细管电泳
1、根据
电泳淌度差异
保留时间差异
2、分离效率(N)
与扩散系数（D） 成反比
与扩散系数（D） 成正比
3、样品量
纳升（nl）级
微升（ul）级
4、检测 5、制备量
在线检测 微量制备
柱后检测 常量制备
毛细管电泳的主要应用
手性化合物 碱性药物分子 法医毒物/临床毒理 蛋白质/多肽/氨基酸 糖类/糖蛋白 核酸/核苷酸 无机及有机离子/有机酸 其它小分子 水溶液中分子间的相互作用 单细胞分析 药物与细胞的相互作用
毛细管电泳仪的性能
准确、自动的进样系统性 具有精确的进样控制和校正系统，进样量准确 可直接从96孔样品板上自动进样，也可从2ml 或0.5ml或PCR试管中进样 可电动、压力、真空或三者组合进样 可从毛细管两端的任一端进样 进样后，有等待功能
6 r 6
电泳（续）
根据上式，电泳速度是和外加电场有关，所
以电泳中常用淌度（mobility, ）来描述荷电粒 子的电泳行为和特性.
电泳淌度（ ep）定义：单位场强下离子的
平均电泳速度
ep
u E
e 6
影响荷电粒子在电场中的迁移速度的因素有：
电场强度、
介质性质、
粒子的荷电情况、 粒子的大小和形状
u E
在普通的毛细管区带电泳条件下，电渗 流从阳极流向阴极，大小受到Zeta电势、偶 电层厚度、介质粘度的影响，一般电势愈大、 偶电层愈薄、粘度愈小，电渗流值就愈大。
通常，渗流速度是泳流速度5～7倍
电渗（续）
粒子在毛细管中同时受到泳流和渗流两 种运动速度的影响，粒子在毛细管电介质的 运动速度应该是两种速度的矢量和：
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。
分析化学毛细管电泳法
分析化学毛细管电泳法第二十章毛细管电泳法电泳(Capillary Electrophoresis，CE)是电介质中带电粒子在电场作用下以不同的速度向电荷相反方向迁移的现象，利用这种现象对化学组分进行分离分析的技术称为电泳技术。
电泳作为一种技术出现，已有近百年的历史，但真正被视为一种在生物化学中有重要意义的技术，是由1937年A.Tiselius首先提出，他利用电泳技术第一次从人的血清中分离出白蛋白、a球蛋白、b球蛋白和g球蛋白。
A.Tiselius对电泳技术的贡献，使他获得了1948年诺贝尔奖。
传统电泳最大的局限是难以克服由高电压引起的焦耳热，1967年Hjerten最先提出在直径为3mm的毛细管中做自由溶液的区带电泳(Capillary Zone Electro-phoresis，CZE)。
但他没有完全克服传统电泳的弊端。
现在所说的毛细管电泳(CE)是由Jorgenson和Lukacs在1981年首先提出，他们使用了75mm的毛细管柱，用荧光检测器对多种组分实现了分离。
1984年Terabe将胶束引入毛细管电泳，开创了毛细管电泳的重要分支: 胶束电动毛细管色谱(MEKC)。
1987年Hjerten等把传统的等电聚焦过程转移到毛细管内进行。
同年，Cohen 发表了毛细管凝胶电泳的工作。
近年来，将液相色谱的固定相引入毛细管电泳中，又发展了电色谱，扩大了电泳的应用范围。
毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进：1、采用了几十微米小内径的毛细管；2、采用了高达数千伏的电压。
由于毛细管内径小，表面积和体积的比值大，易于散热，因此可减少焦耳热的产生，可采用电压电场，电压升高，电场推动力大，可进一步使柱径变小，柱长增加，柱效增加，理论塔板数高达几十万块/米。
第一节毛细管电泳基础理论一、电渗和电渗流毛细管电泳所用的石英毛细管柱，在pH>3的情况下，其内表面带负电，和缓冲液接触时形成双电层，在高压电场的作用下，形成双电层一侧的缓冲液由于带正电荷而向负极方向移动形成电渗流。
毛细管电泳法的特点和CEMS的构造
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实验操作流程
01
02
03
04
样品处理
将待分析样品进行适当的预处 理，如稀释、过滤、离心等，
以去除杂质和干扰物质。
毛细管清洗与填充
使用适当的清洗液清洗毛细管 内壁，然后填充合适的缓冲液
和胶体。
进样与分离
将预处理后的样品注入毛细管 ，在电场作用下进行分离。
检测与记录
采用适当的检测器对分离后的 组分进行检测，记录检测数据
高通量分析
随着技术的不断发展，毛细管电泳法在高通量分析方面取得了重要进展，能够同时分离和检测多个样 品中的组分。
多模式分析
除了传统的分离模式外，毛细管电泳法还发展出了多种分离模式，如毛细管凝胶电泳、毛细管等电聚 焦等，能够适应不同组分的分离需求。
cems的发展趋势与展望
• 微纳尺度分离：随着微纳加工技术的进步，毛细 管电泳法的分离通道尺寸越来越小，分离效率越 来越高。
03
毛细管电泳-质谱联用系统（Capillary Electrophoresis-Mass Spectrometry，简 称CE-MS）：CE-MS是将毛细管电泳分离技术与质谱检测技术相结合的分析方法， 具有高分离效能、高灵敏度、高分辨率等优点。
cems的构造与原理
进样系统
进样系统是将待测样品引入到毛细管电泳分离通 道的装置，一般采用注射器、定量环或自动进样 器等。
对缓冲液和电极的要求高
01
毛细管电泳法的分离效果受到缓冲液和电极质量的影响较大，
需要高质量的试剂和电极才能获得准确的结果。
对样品前处理的依赖性较大
02
对于复杂样品，需要进行适当的前处理才能进行有效的分离和
毛细管电泳
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。
18
19
(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。 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； HPCE中的焦耳热与背景电解质的摩尔电导、浓度及电场强 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%；
R 2(t2 t1) W2 W1
23
9 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：
1948年，获诺贝尔化学奖；
2
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。
3
毛细管电泳发展概述
c 加入有机溶剂如甲醇、乙腈，使 电渗流增大。
21
8 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
ap ap E ap V
V—外加电压；L—毛细管总长度；
(2)分离效率（塔板数）
毛细管电泳
毛细管电泳第一部分原理一、迁移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(Capillary Electrophoresis, CE)。
偶电层：固定层和流动液层共同构成了偶电层；固定层和流动液层间的电势差称为Zeta 电势。
Zeta电势的值随距离增大呈指数衰减，使其衰减一个指数单位所需的距离称之为偶电层的厚度，用δ表示。
在溶液中的导电仍然服从欧姆定律，即E=IR，I是电流，R是电阻，E是电场强度。
电泳：是指在电场作用下，溶液中的带电粒子作定向移动的现象。
电渗：是指在电场作用下，毛细管内液体沿固体表面移动的现象。
电泳移动速度：u ep=μep·E；E为电场强度，μep表示溶质的淌度。
溶质的淌度μep：溶质在给定缓冲液中单位时间间隔和单位电场强度下移动的距离。
εζ1μep=ε是流体的介电常数；η是介质的粘度；ζ是粒子的Zeta电势；Zeta电势近似正比于Z/M2/3；M为分子量，Z为净电荷。
电渗当在通道两端施加电压时，距离通道壁较远的正离子（受壁的吸引力较弱，可自由移动）游向负极，正离子带着吸附于其上的水分子以及因为摩擦力牵引着其他水分子一齐游向负极，此即为电渗效应（带电外壳带着其中溶质运动）。
电渗速度：u op=μop·E；E为电场强度，μop表示电渗的淌度。
电渗的淌度μop：液体在单位时间间隔和单位电场强度下移动的距离。
μop=εζ2ζ为管壁的Zeta电势；ε是流体的介电常数；η是介质的粘度。
Zeta电势越大，偶电层越薄，粘度越小，电渗流值越大，在不少情况下电渗流的速度是泳流速度的5—7倍。
粒子在毛细管内的运动是两种速度的矢量和：u= u ep+ u op=(μep+μop)Eμapp=μep+μop；称μapp显示淌度，为粒子电泳淌度和电渗引起的淌度之和。
μapp=μep+μop=u/E=L d·L t t r·VL d是毛细管进样口到检测器的距离，t r是粒子通过这段距离所用的时间，L t是柱的全长，V是电压。
毛细管电泳基本原理和构造
（2.6）
介质黏度
R 离子半径
方程（2.6）表明半径小、电荷高的组分具有大的迁移率，而半径大、电荷低的组 分具有小的迁移率。 在通常的物理参数表中查到的是无限稀释完全电离条件下的电泳迁移率（绝对迁 移率），实验中测得的迁移率称为有效迁移率，与缓冲溶液组成、pH值等有关。
§2.2电渗及电渗控制
veo(X):离管壁距离为X(nm)时
0.8 X(nm)
的电渗流
电渗的另一个特点可以使几乎所有的组分不管电荷大小，以同样的方向移动。 组分在毛细管中流出时间 取决于电渗速度和组分迁移速度的矢量和。一般情况下， 电渗方向从阳极到阴极,且电渗速度一般大于电泳速度，所以阴离子也在阴极流出。 因此，阳离子、阴离子、中性分子能够同时分析。
毛细管电泳(capillary electrophoresis，CE)
CE是20世纪80年代初发展起来的一种新 型分离分析技术，乃经典电泳技术和现 代微柱分离有机结合的产物，是继高效 液相色谱(HPLC)之后，分析科学领域又 一次革命。
毛细管电泳泛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。毛细管电泳仪的基本 结构包括一个高压电源，一根毛细管，一 个检测器及两个供毛细管两端插入而又可 和电源相连的缓冲液贮瓶。
0
0
5
10
15
20
图中： 阳离子移动速度 =电渗流速度+ 阳离子电泳速率 中性分子移动速度 =电渗流速度 阴离子移动速度 =电渗流速度—阴离子电泳速率 所以：移动速率 阳离子>中性分子>阴离子 但对于小离子（钠、钾、氯）分析，组分电泳速率一般大于电渗速率。另外， 毛细管壁电荷的改性会使电渗发生变化，在这些情况下，阳离子和阴离子可能向不 同的方向移动。 电渗是溶液整体的流动，它不能改变分离的选择性。
《(生物)医学检测》：毛细管电泳
③淀粉凝胶电泳：多用于同工酶分析，凝胶铺厚些， 可一层一层剥层分析（一板多测）。天然淀粉经加 工处理即可使用，但孔径度可调性差，并且由于其 批号之间的质量相差很大，很难得到重复的电泳结 果，加之电泳时间长，操作麻烦，分辨率低，实验 室中已很少使用。
④琼脂糖凝胶电泳：一般用于核酸的分离分析。琼脂 糖凝胶孔径度较大，对大部分蛋白质只有很小的分 子筛效应。
• 当在毛细管两端加高电压时，双电层中的阳离子 向阴极移动，由于离子是溶剂化的，所以带动了 毛细管中溶液整体向阴极移动，产生电渗流。在 不少情况下，电渗流的速度是电泳流速度的5～7 倍。
分离过程
电场作用下，柱
中出现：电泳现象 和电渗流现象。
带电粒子的迁移速度=电泳和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
电泳现象与电渗流现象
电泳：在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同速 度向其所带电荷相反方向迁移的现象称为电泳。 电渗流（electro osmotic flow，EOF）：指管内溶液在外 力电场作用下整体向一个方向运动的现象。
• HPCE通常采用的是石英毛细管柱，一般情况下 （pH＞3），硅醇基（—SiOH）电离为硅氧基负 离子（—SiO），使管壁表面带负电，为了保持 电荷平衡，溶液中水合离子（一般为阳离子）被 吸附到表面附近，形成双电层。
• 样品用量极少; • 设备简单; • 可在常温进行; • 操作简便省时; • 分辨率高; • 特别适合于蛋白、核酸等大分子物质的分离。是
生化药物、基因工程药物分析的重要手段。
电泳的不足
毛细管电泳（CE）
毛细管电泳法的特点和CE-MS的构造
4.与高效液相色谱相比，具备的特点
毛细管电泳
高效液相色谱
流体流动形式
平流，峰展宽小 层流，峰展宽大
组分分子移动
电渗流和电泳流的 有压力流带动 共同作用
组分分子的扩散 扩散小，不存在传 有扩散，存在传质阻 质阻力，柱效高 力，柱效低
组分分离
依据迁移速率的差 依据分配系数的差异 异
生物大分子的分离 适合
CE-MS的分类
CE-MS在线结合的仪器主要包括三个 部分:即CE系统，CE-MS接口和MS
检测器。
❖ 目前，成功地应用于CE-MS接口中的离子 化技术有连续流-快原子轰击（CF-FAB）、 离子喷雾（IS）、电喷雾（ESI）、大气压化 学电离、基质辅助激光解吸离子化和等离子 体解吸离子化技术等。其中电喷雾电离是最 常用、最成熟的技术。
CE-ESI-MS接口主要分为鞘液接口和 无鞘液接口两种。
鞘液接口技术
❖ 鞘液接口技术是最早出现，其优点在于通过提高样 品流速使得喷雾更加稳定,有利于形成稳定的电流回 路,同时可改变CE运行缓冲液的组成, 使其满足ESI 源的检测要求。主要有低流速( low-flow )鞘液接口， 多通道的CE-ESI-MS联用鞘液接口。Chang等设计 了低流速鞘液接口,他们将毛细管末端套在装有鞘液 的离心管中,鞘液低速流出与CE 流出物混合,离心管 中插入一铂丝作为电极以构成电流回路; 低流速可 以降低鞘液的稀释作用,同时铂丝构成电流回路可以 避免因流速低所造成的断流。
芯片CE与ESI-MS联用的方法主要分 为两类:
❖ 一类是将ESI源和CE 微芯片整合在一起, 另 一类是把毛细管喷雾器附加在CE 微芯片内。 后者的应用更为广泛, 其优势在于更有利于装 置的微型化。
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4.与高效液相色谱相比，具备的特点
毛细管电泳 流体流动形式 组分分子移动 组分分子的扩散 组分分离 平流，峰展宽小 高效液相色谱 层流，峰展宽大
电渗流和电泳流的 有压力流带动 共同作用 扩散小，不存在传 有扩散，存在传质阻 质阻力，柱效高 力，柱效低 依据迁移速率的差 依据分配系数的差异 异
生物大分子的分离 适合
毛细管电泳法的特点
1.毛细管电泳具备如下优点：
（1） 高效 塔板数目在105-106 片/m 间，当采用CGE 时 毛细管电泳色谱图，塔板数目可达107 片/m 以上； （2） 快速 一般在十几分钟内完成分离； （3） 微量 进样所需的样品体积为nL 级； （4） 多模式 可根据需要选用不同的分离模式且仅需一 台仪器； （5） 经济 实验消耗不过几毫升缓冲溶液，维持费用很 低； （6） 自动 CE 是目前自动化程度较高的分离方法。
CE-MS的分类
CE-MS在线结合的仪器主要包括三个 部分:即CE系统，CE-MS接口和MS 检测器。
目前，成功地应用于CE-MS接口中的离子 化技术有连续流-快原子轰击（CF-FAB）、 离子喷雾（IS）、电喷雾（ESI）、大气压化 学电离、基质辅助激光解吸离子化和等离子 体解吸离子化技术等。其中电喷雾电离是最 常用、最成熟的技术。
不适合
毛细管电泳(CE)与质谱(MS) 联用技术(CE-MS)
能快速分离微体积样品中的化合物，及其高效分离 和基于分子量鉴定化合物的能力，使它成为分析复 杂生物样品的一种非常有价值的方法。 另外，在各种广泛的诸如毛细管区域电泳，毛细管 等电点调焦，和在线等速电泳等技术已经和MS结 合。这些优点使得CE-MS在分析复杂生物混合物中 广泛使用。CE-MS已经成功地广泛应用于复杂化合 物地分析包括氨基酸，蛋白质消化，蛋白质混合物， 单个细胞，寡核苷酸，和各种小分子相关的制药工 业。
芯片CE与ESI-MS联用的方法主要分 为两类:
一类是将ESI源和CE 微芯片整合在一起, 另 一类是把毛细管喷雾器附加在CE 微芯片内。 后者的应用更为广泛, 其优势在于更有利于装 置的微型化。
Байду номын сангаас
CE-ESI-MS接口主要分为鞘液接口和 无鞘液接口两种。
鞘液接口技术
鞘液接口技术是最早出现，其优点在于通过提高样 品流速使得喷雾更加稳定,有利于形成稳定的电流回 路,同时可改变CE运行缓冲液的组成, 使其满足ESI 源的检测要求。主要有低流速( low-flow )鞘液接口， 多通道的CE-ESI-MS联用鞘液接口。Chang等设计 了低流速鞘液接口,他们将毛细管末端套在装有鞘液 的离心管中,鞘液低速流出与CE 流出物混合,离心管 中插入一铂丝作为电极以构成电流回路; 低流速可 以降低鞘液的稀释作用,同时铂丝构成电流回路可以 避免因流速低所造成的断流。
2.毛细管电泳的缺点
（1） 由于进样量少，因而制备能力差； （2） 由于毛细管直径小，使光路太短， 用一些检测方法（如紫外吸收光谱法）时， 灵敏度较低； （3） 电渗会因样品组成而变化，进而影响 分离重现性。
3.与传统电泳技术相比，具备的特点
（1）分离效率高 （2）分离模式多：毛细管区带电泳、毛细管凝胶电泳、胶 束电动毛细管色谱、毛细管等电聚焦 、毛细管等速电泳等。 （3）应用范围广：既能分析有机和无机小分子，又能分析 多肽和蛋白质大分子；既能用于带电离子的分离，又能用于 中性分子的测定。 （4）最小检出限低 （5）分析成本低 （6）样品用量少 （7）仪器简单 （8）环境友好
无鞘液接口技术
无鞘液接口技术由于不存在任何稀释效应而 逐渐受到研究者的青睐。 液接型接口是无鞘液接口技术中比较特别的 一种。与其他无鞘液接口相比, 液接型接口可 以通过液接液体来改变CE运行缓冲液的组成, 使其满足电喷雾离子源的要求。与鞘液接口 相比, 液接型接口不存在鞘液的稀释作用，但 这种接口会存在液体死体积问题。
CE-MS的结构
电喷雾技术
用来产生MS分析的所需的离子技术，特别适 用于与大分子的质谱分析，采用ESI，大分子 在离子化过程中不会碎裂。
电喷雾技术的优点
接口技术
接口技术是实现CE-MS 联用的关键所在。CE-MS 联用分为在线联用和离线联用。CE-MS离线联用的 关键是对已分离样品的有效收集,并不涉及真正意义 上的联用接口技术;而且与离线联用相比, CE-MS在 线联用具有样品损失少、自动化程度高、分析速度 快等优点,其应用要比离线联用广泛得多。CE-MS 在线联用需要设计合适的接口,能够将已分离的样品 全部转移到质谱仪中,同时实现样品快速高效的离子 化，同时接口对技术要求很高。