毛细管区带电泳

、 ｉ ｉ 分别为 ｉ ｏ 和 、 组分的有效淌度、绝对淌 度、解离度和电动电位； 和 为介质的介电常数和 粘度；ｄ为与离子大小有关的常数。在毛细管中， 存在电渗流 ｏ ｓ ，组分的实际速度表为：
子，ｉ 为区带宽度， Ｉ 为初始区带宽度， 和Ｂ为常 Ａ
数，（） ｒ 为ｒ 数。 ｆｒ和Ｆ（） ｉ ｉ ｉ 的函 显然 ｉ 小，ｉ 越 越小 无影响，当 １ Ｅ ｒ 时。 ｉＥ ， 形不对称，ｒ 的 ｂ 峰 ｉ ＞１
发展了电 化学检测系统〔－ ７ ｈｎ Ｙｎ－ ２ ２ ；Ｃ ｅｇ ｇ ４ ｕ Ｆ ｎ等发展了激光荧 ｏｇ 光检测法２ 。 ８ 这几项研究成
果，使Ｃ Ｅ Ｚ 的检出限降至ａ ｏｅ ｍ ｌ 级，效率超过１６ ０
ＮＰ Ｔ ，逼近理论极限。 特别是电化学检测 统的 系
品仪器生产的竞争也颇为激烈，美国至少有１家厂 ２ 商竞先研制实用仪器 ３， 世界上已有５ 家厂商声称 推出了产品〔 ２，其中Ｂ Ｏ ＲＡ Ｉ － Ｄ公司生产的ＨＰ Ｅ －０型仪器正向中国试销，我国也在酝酿研制此类 １０ 仪器。 出现，使Ｃ Ｅ Ｚ 可以用１． ｉ ． ２ ７ｍ ．的管子分析单个神 ｄ 经细胞内液样品〔 ２ ７。Ｊ ｒｅｓｎ研制出定量的自 ｏｇｎｏ 动进样操作系统，使Ｃ Ｅ完成了完全自动化的操 Ｚ 作〔 Ｍｏｒ 还发展了激光拉曼光谱检测法 ３ ２ ９。 ｒｉ ｓ ０。
知识介绍
毛
细
管
陈 义
区
带
电
泳
竺 安＊
效率６ ８年，Ｊｒ ｎｏ和Ｌ ｋｃ 在极细 ． １ ７。 ｏ ｅｓｎ ｕａｓ ｇ 认为
管下 （ 内径 ８ ０ｍ ，峰宽仅由扩散控 制，电 泳 效率Ｎ与电压Ｖ 成正比：Ｎ ｅ ２ Ｖ／Ｄ（ｅ Ｄ分别 虳 和
（ 科学 中国 院化学研究所， １０８） 北京， ００ ０
一、历史与现状 毛细管区带电泳 （Ｚ ）或高效毛细管 电泳 ＣＥ （ Ｃ ）是继色谱之后的又一高效快速分析方法， ＨＰ Ｅ 近年来发展极快 （ ）。Ｃ Ｅ的 研究热潮正在 图１ Ｚ
ｓ”Ｖｅｎ， ｕｒ， ｂｔ， ｅｔ２— ３ ｉ， ｉ ａＡ ｓｉ Ａ ｓ．Ｓｐ １ ２， ｓ ｎ ｔａ ｒ ．
１ ８ ９８ ．
拆分）， 肽和蛋白 Ｒ 、 Ｎ 及 质，ＮＡＤ Ａ 基片断〔 ，多 １ ５
糖 ２，红细胞等〔０ ３ 图２ ４， ４ 举出几个分离例 子， 条件见所示文献。
四、问题与展望
Ｃ Ｅ的 问题有三：进样、检测、吸附，均已 Ｚ 获得相当程度的解决，但还不够。目前进样方法有
况，结果如 下〔６ ７， ３， ３
wk.baidu.com
分离， 这是一种配体交换过程。 Ｄ 若Ｓ Ｓ胶束中含
有手性中心，可以分离光学异构体〔５。 １
Ｋａ ｅ ｒｒ ｇ 在毛细管中做 凝胶电泳是按离子大小
分离的。Ｔ ｒｂ分离同位素则是根据 ｉ ｅａｅ 的差异〔８ １ （ 二）理论效率 Ｃ Ｅ的效率通常用理论板数Ｎ或板 高Ｈ 表 Ｚ 示〔 ３ ３，其表达式可以从连续方程求得〔 ３—３ ６ ４ ７： ． Ｉ ＇ 为约化初始区带宽度， ｉ ｄｉ ｓ 为Ｇｉｄ ｇ 系数 ３ ｎ ３， １ 为毛细管长度， ＇为管壁ｉ ｉ ｅ 处的有效淌度， 为淌 度的温度系数，ｇ为介质的电导率，ｋ为介质的导 热系数，ａ 为毛细管内半径。计算结果表 明：Ｎｉ ～ ａ蚇 ～Ｉ 和Ｎｉ 线与Ｌ ｋｃ实验结果相同〔 獻 ｕａｓ ３ ８；Ｎｉ Ｖ线 ～ 玍 和Ｔ ｕｓ ｓｄ结果相同〔 ３ ９，另外，Ｎ ｐ 线 为峰形 ｉ Ｈ 线。当 ｉ １ ａＩ ０ ， ／ 时，（１ （ ） 琣 １） ９ 。本方程较好
Ｒ Ｄ ｇｎ Ｓ Ｓ ｎｏ，Ｗ．Ｗｏｔ （ｄ） ａａｉ ． ｔｓｎ ， ｉ ｒ ｙ ｅｓ， ｈ ． Ｃ Ｅ ， ａ ｈ ８１８ ． ＆ Ｎ Ｍ ｒ ７２（ ８ ｃ ， ９） ４ Ｓ Ｈｅ ｅ， ｈｏ ａ ｇ Ｒｖ ， ２１ ７． 〕 ． ｊ ｔ Ｃ ｒｍ ｔ ｒ ｅ ｒｎ ｏ ． ．９１ （ ６） ２ ９ 〔 〕 Ｆ Ｍ Ｅ ｅ ｅｔ Ｗ． ． ． ｏｉ —Ｋ ｕ － ５ ． ． ｖｒ ｒ， Ｍ Ｌ Ｈ ｖ ｇ ｅｌ ａ ｓ ｎ ｅ ｍ ｎ ＳｉＴ ｏ ， ７ ５１ ０． ａｓ ｃ ｏｌ １， （ ７） ， ． ｓ ２ ９ ６ Ｆ Ｅ Ｐ Ｍｉ ｅ， ． Ｅ ｅ ｅｓ Ｐ ． ． 〕 ． ． ． ｋ ｒ Ｆ Ｍ． ｖ ａ ｔ ． Ｍ ｋｓ ｒ ｒ， Ｅ Ｖ ｒ ｇ ｎ Ｊ Ｃ ｒｍ ｔ ｒ １９１ １ ９． ｅ ｅｇ ， ． ｈｏ ａ ｇ ，６， （９ ） ｈ ｅ ｏ． ７ ７ Ｆ Ｅ Ｐ Ｍ ｋｅ ， ． ． ｖｒｅｓ ＰＥＭ 〕 ． ． ． ｉｋｒ Ｆ Ｍ Ｅ ｅ ｒ ， ． ．． ｓ ａｔ Ｖｒｅ ｅ， Ｃ ｒｍ ｔ ｒ１９１（ ７） ｅ ｇ ｎ ． ｈ ａ ｇ ６，１１ ９． ｈｇ Ｊ ｏ ｏ． ９ ８ ＪＷ Ｊｒｅ ｏ，．．ｕａ ， Ｃ ｒｍ ｔ ｒ ． ｏ ｎ ｎ ＤＬ ｋｃ Ｊ ｈ ａ ｇ， ｇｓ Ｋ ｓ． ｏ ｏ．
国际 等速电泳会议的主题之一〔，在８年的Ｐｔ－ ２ ８ ｉｓ ｔ ｂｒ会上受到高 ｕｇ 度重视〔。 ３ 其首届专题国际会议也 于今 月在美国的波士顿举行〔 ３ Ｚ 年４ １ 。Ｃ Ｅ的商 ，
用含Ｓ Ｓ（ Ｄ 十二烷基磺酸钠） 胶束溶液分离了中性
分子〔 １ ２。１８年 Ｌａｅ 高ｐ ９８ ｕ用 Ｈ缓冲液分离蛋白
过程 。 保 留 时 间 为 １ ．５ 。 ！ ２１
上式表明Ｎｉ Ｖ 与 成正比而与１ 无关，这为高压高效 和快速分离提供了理论依据。但实验表明，很高电 压下，ＮｉＶ呈负偏差，而１ 较小时，Ｎｉ １ 有近似 的线性关系，其原因是焦耳热效应不能忽略。 ９ ） 式还容易导致 ｏ越大分离越好的错误结论，可用 ｓ 分离度Ｒ来纠正〔０ ３： ｓ １． ３
微量注射器、阀门、电泳 和压力差等法〔 。前两 ２ ９
种只适用于 ａ ０ ｍｍ以上管子，后两种是比较理 ． １ 想因而常用的方法。但是电泳法的进样量与淌度成 正比，淌度过小的组分可能检不出，压力差法重现 性稍差。Ｃ Ｅ的检测最初采用紫外、荧光和电导 Ｚ 等法，近两年来多种先进的方法被应用进来，如质 谱〔 — ３，电化学系统〔 —２ ２ ２ ０ ２ ７，激光荧光〔 ４ ２ ８， 激光拉曼光谱 ３〕 ０等，但这些方法都有各 自的 局 限。 质谱受分子量限制， 电化学法只能测定易氧化或 还原的组分， 激光法装置昂贵。 发展更新更适用的检
７年，Ｍｉｋｒ等进行了理论研究，认为减小进样 ｋ ｅｓ 量并采用细毛细管可以抑制区带电场畸变和对流，
接荧光法成功分析了 氨基酸 ３ ２。 二、理
（ ） 一 原 理
论
电泳是根据组分在电场Ｅ中有不同的有效迁移
速度 ｉ ｅ 来分离的：
获得高效率。他们通过实验证明 ｐ ｏ 在 ｍｌ ｅ级进 样
量下，０ ｍ ｄ的管子可以获得小于２ ． ｍｉ ２ ０ｍ板高的
况； Ｉｉ ， ｉ 设 很小 与径向 无关，则Ｃ为高斯分 ｉ
布，即 ｉ ２ ｉ ２ Ｄｔ ， １ ０
正离 中 分 负 子 即ｔ ｔ ｔ ｔ 保 子、 性 子、 离 ， ＋ ｏ － ｉ ＜ ＜ ，为
留时间，定义为〔５： １ １ 为迁移长度 （ 进样口至检测口的距离） 若介质中含有能改变中性组分速度的物质，中 性组分也可分开。如在Ｓ 胶束溶液中，能全溶于 ＤＳ Ｓ 中者必有 ＳＳ ＤＳ Ｄ，不溶的为 ｏ ｓ ，部分溶解 的 则 在 ＳＳ ｏ Ｄ和 ｓ 之间， 显然这是一种类似于分配色谱的
Ｃ Ｅ还有其他问题，如怎样定量控制电渗 速 Ｚ 度时〔 １ ８等。但不管困难如何，Ｃ Ｅ已经受到越来 Ｚ
越普遍的重视 １３。 ｒｅ 认为，几年内Ｃ Ｅ — Ｋａ ｒ ｇ Ｚ
就会推广开来，成为分析及生化工作者的 重 要 工 具１ ５。 参 考 文 献
〔 〕 “ Ｐ Ｅ８， ｉｔ ｅ ａｏａ Ｓｍ ｏｉ １ Ｈ Ｃ ＇ Ｆｒ Ｉｔ ｎｔｎｌ ｐｓ ｍ ９ ｓ ｎｒ ｉ ｙ ｕ
Ｈｕｎ Ｘ ａｈａ ａ ｉ ｕ 等发展了电导 ｇ ｏ 检测器，用其分析
了碱金属离子及氨基酸等样品〔１。 ｈ 等 用间 ３ Ｋｕ ｒ
ＣＥ Ｚ 的早期方法采用旋转石英管为分离室， 内 涂纤维素， ｊ ｔ 于１６年提出 ４ 此法设 是Ｈ ｅ ｅ ９７ ｒｎ 的〔。 计 巧妙但不实用。 七十年代， 等速电泳 权威Ｅ ｅ ｅｔ ｖｒ ｒ ａ ｓ 用等速电泳系统做Ｕ Ｅ Ｚ ，操作简 便但效率低〔 。 ５
背景 电解质浓度，ｒ ｉ ｅ ｉ （－ ｐｒ／ ｉ ｅ ，ａ １ ｒ ｉ ／ｓ ／） （－ ｐ， 和 为与同号和 １ ｒ 下标ｓ ｐ ｉ 反号的背景电 解质离
等。Ｍｃｏ ｉ Ｃ ｍｃ ｋ发现，升压方式对Ｎ有不可忽视的
表 １ Ｚ ＰＣ２Ｅ（ 电泳）的比 ＣＥＨＬ Ｄ 双向 较
影响 １ 如何表达这些因素，需进一步研究。 ９，
度Ｃ及提高 ｉ 介质粘度 来减 小电流Ｉ在自由 。 溶液电
泳时， ｉ Ｃ 不可小于 １ Ｍ， ｍ 否则难以达到高效分离。 在凝胶介质下， 很大，Ｉ 一般很小。（３说明选用 １）
当 量电导 ｉ 小和价 ｉ 数Ｚ低的背景电解可以减少Ｉ ，
但此种选择有限，通常不予考虑。
三、特点与应用
Ｃ Ｅ 的 突出特点是简单、高效、快速、样品 Ｚ 用量小，易自动化操作，比传统电泳如薄层电泳或
ｋ 是类似于色谱中容量因子的纯数，其中ｎＤ 和ｎ ＳＳ ｓ
分别为样品在 胶束和溶剂中 的摩尔数。Ｓ Ｓ胶束 Ｄ
表面有很高的负电荷密度，负离子很难接近，但可 利用Ｓ Ｓ ｕ＋Ｚ ２或Ｍｇ＋ Ｄ 和Ｃ ２、 ｎ＋ ２等形成的新 表面 来
为相邻峰有效淌度平均值， 为其差值。显然 ｏ和 ｉ 必须反向才能增加分离度，最大分 离在 我们曾考察了 ｉ 在径向上为抛物线型分布的情
柱电泳有强得多的分析功能。Ｃ Ｅ Ｚ 不但能分析
ＨＰ ＬＣ （ 高效液相色谱 ）颇胜任的中小分子样 品，
而且更适合于分析扩散系数小，ＨＰ Ｃ甚感困难 Ｌ
的大分子样品，更详细的比较见表 １１， —４ ５ ０ ２。 ４ Ｃ Ｅ是化学超微量分析的有效手段，可用于生物、 Ｚ 医学、环境和工业生产等各个方面的分析工作中， 到目前为止，Ｃ Ｅ测 定 过 的 对 象 有：无 机离 Ｚ 子〔，１⒂有 机物 （ ６３、 胺、酚、酮、酯、羧酸、硝基 苯、 多环芳烃等）２， 氨基酸 （ ４ 包括光学异构体的
ｉ Ｃ 为摩尔浓度，Ｄｉ 为扩散系数。不同的假设，结
果不同。Ｍｉ ｅｓ ｋ ｒ等考察了 ｋ 无扩散项时１ 价样品 —１
的电迁移情况 ６：
Ｅｉ 为区带电场，Ｅｂ为背景电场 ｉ Ｃ／ ｂ ｂ ｉ ，Ｃ为 Ｃ
地解释了Ｃ Ｅ现象，可做条 Ｚ 件选择的参考，但 未
能 达到 定量水平。 影响Ｎ的 因素很多，如 吸附、对流 、进样 方 式
前伸，ｒ 的拖尾。当 ｉ ＜ｌ ０ 时，Ｅｉ Ｅｂ 峰又变 得对称，即由扩散决定，此即Ｊ ｒｅｓｎ研究的情 ｏｇｎｏ
即越 。Ｉ小 ｒ，效 越 ， ｒ１ Ｎ大 ｉ ， ｉ者 率 高对 者 越对
ｏ ｓ 为管内壁电动电位。区带电泳是在均匀连 续 的 ｐ 缓冲介质中进行的，所以组分各以 ｉ Ｈ 独立泳动， 最后分成相应的不连续区带，快的在 前，慢 者 居 后。设 ｏ － ｓ 并流向负极，根据（ ） ２ 有区带顺：
ｏ Ｈｇ Ｐｒｒ ａｃ Ｃｐｌｒ Ｅｅｒ－ ｎ ｈ ｆ ｍ ｎｅ ｉａ ｉ ｅｏ ａ ｌｙ ｌｔ ｃｏ
ｐｏ ｓ” Ｂｓ ｎ Ｍ ｓ ｃ ｓｔ Ｕ Ａ ｈｒ ｉ ， ｏ ｏ， ａ ａ ｕｅｓ Ｓ ， ｅｓ ｔ ｓ ｈ ｔ，
Ａ ｒ １—１，９９ ｐｉ ０ ２１８． ｌ
２ “ｔ Ｉｔ ｎｔ ｎｌ ｍ ｏ ｕ ｏ Ｉ ｔ ｈ－ 〕 ６ ｎｅ ａ ｏａ Ｓ ｐｓ ｍ ｓ ａ ｏ ｈ ｒ ｉ ｙ ｉ ｎ ｃ ｏ ｐｏ ｓ ａｄ ｐｌ ｙ ｎ Ｅｅ ｒｐｏｅ ｈｒ ｉ ｎ Ｃ ｉａ Ｚ ｅ ｃｏｈｒ ｅ ｓ ａ ｌｒ ｏ ｌｔ －
（ 三）关键操作条件 高压Ｃ Ｅ操作的关键是把电流控制 在２０Ａ Ｚ ０ 以下〔０ ４ 。Ｋａ ｅ认为绝热时，焦耳热导致的管中 ｒｒ ｇ 心与管壁的温差为 １ ５：
Ｔ可大于５ ０ 温差会引起对流和改变平衡常数， 使 在径向上形成梯度，对分离影响极大，所以要 选用薄壁管并恒温操作。由电化学理论知道：
此两式表明要控制电流应选用细管子（ ａ Ｔ Ｉ ２ ａ ，这是最主要的一步。还可减少背景电解质浓 ４
为淌 度和扩散系数） 他们用７ ｉ．１ 。 ５ｍ． ｍ管子， ｄ
３ｋ ０Ｖ下开管电泳，可产生４万理论板数 （ Ｐ 的 ０ ＮＴ ） 效率，并实现正负离子的同时分离〔 １。这两项 ８ －１ 研究使 Ｃ Ｅ取得了突破性进展。１８年，Ｔ ｒｂ Ｚ ９４ ｅａｅ
美 掀 并 其 国 扩 国 起， 向 他 家 展１ Ｃ Ｅ是第 届 。Ｚ 六
质，效率 高达１６Ｔ ３１ ０ Ｐ１ ４，充分揭示了 Ｚ 的 Ｎ ． ＣＥ
高效特点。１ 、９８ 年由于许多色谱权威参加 ９７１８ 两
了Ｃ Ｅ Ｚ 研究， 取得了 丰硕的 成果。Ｃｈｎ Ｔｒ ｅ ｏｅ， ｅａ ， ｂ
Ｋａｇｒ ｒｅ 等人用 Ｃ Ｅ拆分氨基酸的光学异构体、 Ｚ 含氧同位素苯甲酸，用凝胶介质分析ＤＮＡ及其片 断 １—１ Ｍｃ ｏ ｉ 在低ｐ 介质中分析蛋白质， ５ ８。 Ｃ ｍｃ ｋ 效果很好〔 １ ９。Ｓ ｉ ｍｔ ｈ等利用电喷雾法实现了Ｃ Ｅ Ｚ 与质谱的 联用 〔 －２ ２ ３；Ｗａｌｇｏｄ和Ｅｗｎ ０ ｌｎｆｒ ｉ ｉ ｇ