毛细管电泳.
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第17章 毛细管电泳
electrophoresis
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
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。
进样系统
毛细管分离通道十分细小，整个柱体积一般只有4~5μL， 所需的样品区带只有几纳升。
毛细管电泳的进样方式一般是将毛细管的一端从缓冲液移 出，放入试样瓶中，使毛细管直接与样品接触，然后由重力、 电场力或其他动力来驱动样品流入管中。进样量可以通过控 制驱动力的大小或时间长短来控制。CE进样技术均适用于 CEC。
毛细管电色谱（capillary electrochromatography; CEC）是毛细管电泳与液相色谱相结合形成的一种高效、 快速微分离分析技术。
毛细管电泳
毛细管电泳的原理
1 装置
电极 缓冲液
毛细管
数据处理
试样
检测器
电极 缓冲液
高压电源
（可高至30KV）
电泳
在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同的速度 或速率向其所带电荷相反电场方向迁移的现象叫作电泳。阴 离子向正极方向迁移，阳离子向负极方向迁移，中性化合物 不带电荷，不发生电泳运动。
2 电泳和电渗
– 电渗流的流型特点
电渗流 塞流
HPLC 层流
固液两相间的 总电势-热力学 电势-φ0
Zeta电势-ζ
分离原理
电泳和电渗流并存，在不考虑相互作用的前提下，粒子在 毛细管内电介质中的迁移速率是两种速率的矢量和：
u uep ueo (e p eo)E
令µapp=µep + µeo，称之为表观淌度，即从毛细管电泳测量 中得到的淌度为粒子自身的电泳淌度和由电渗引起的淌度之
柱效和分离度
与色谱相同，CE和CEC的柱效一般也用塔板数N或塔板高
度H来表示。实际应用中，可根据以下公式计算：
2
N
5.54
tR 2t1/ 2
从理论上分析，CE分离的柱效可表示为
D为扩散系数，样品相对分子质量越大，扩散系数越小， 柱效越高，所以毛细管电泳比色谱更适合于生物大分子分离 分析。
柱效和分离度
类似于HPLC，CEC的柱效可用vanDeemter方程表征：
作为一种重要的分离分析手段，CE和CEC仍沿用分离度R 作为衡量分离程度的指标，并定义如下：
R 2(tR2 tR1 ) (W2 W1 )
毛细管电泳和电色谱仪器装置
仪器基本结构
1 高压电源；2 毛细管；3 检测器；4 电极；5 缓冲液瓶；6 恒温系统；7 记录仪
电渗是CE的基本现象之一，它可以控制组分的迁移速率和 方向，进而影响CE的分离效率和重现性，所以电渗流控制 是CE中的关键问题或技术之一。
电渗流的控制
影响电渗流的因素很多，直接影响因素有： 1. 电场强度 2. 温度 3. pH值 4. 缓冲液溶剂 5. 离子强度 6. 添加剂 7. 管壁涂层
毛细管电泳
分离原理
毛细管电色谱由于引入了色谱机制，其保留机理包括两个 方面:
其一，如同HPLC，基于溶质在固定相和流动间分配过程； 其二，如同CE，基于溶质电迁移过程。CEC容量因子可 用下式表示：
k k 'k ' (ep / eo ) ep / eo
由于CEC既能分离电中性溶质，又能分离带电溶质，对 复杂的混合样品显示出强大的分离潜力。
目前有三种方法可以让样品直接进入毛细管：
电动法、压力法和浓差扩散法。
电源及其回路
电流回路系统包括高压电源、电极、电极槽、导线和电 解质缓冲溶液等。CE和CEC一般采用0 ~ ±30 kV连续可 调的直流高压电源。理想的电源应具备： 1.能输出单极直流高压(一端接地)； 2.电压、电流、功率输出模式任意可选； 3.能控制电压、电流或电功率的梯度； 4.电压输出精度应高于1%。 CE的电极通常由直径0.5~l mm的铂丝制成。 电极槽，即缓冲液瓶，通常是带螺口的小玻璃瓶或塑料 瓶(1~5mL不等)，要便于密封。缓冲液内含电解质，充于 电极槽和毛细管中，通过电极、导线与电源连通，一同 构成整个电流回路。
在充满自由溶液开口管中球形粒子的电泳速率公式为：
vep
e 6
E
电泳淌度（μep)定义为单位场强下离子的平均电泳速率， 即
ep
vep E
电渗
电渗是毛细管中整体溶剂或介质在轴向直流电场作用下发 生的定向迁移或流动。
电渗的产生和双电层有关，当在毛细管两端施加高压电场
时，双电层中溶剂化的阳离子向阴极运动，通过碰撞作用带 动溶剂分子一起向阴极移动，形成电渗流(EOF)。
毛细管及其温度控制
熔融石英毛细管在CE中应用最广泛，熔融石英拉制得 到的毛细管很脆，易折断，一般在外表面涂有聚酰亚胺 保护层，使之变得富有弹性，不易折断。
内径越小，表面积/体积比越大，散热效果越好。内径 小，样品负载小，检测、进样、清洗等操作困难。
和，并有
app
e p
eo
u/E
Ld Lt tr U
在典型的毛细管电泳分离中，溶质的分离基于溶质间电泳
速率的差异。电渗流的速率绝对值一般大于粒子的电泳速率， 并有效地成为毛细管电泳的驱动力。溶质从毛细管的正极端
进样，带正电的粒子最先流出，中性粒子次之，带负电的粒 子在中性粒子之后流出。溶质依次通过检测器，得到与色谱 图极为相似的电泳分离图谱。
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。
毛细管电泳（capillary electrophoresis;CE）是一类以 高压直流电场为驱动力，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的差异而实现分离的新型液相 分离分析技术。
毛细管电泳是分析科学中继高效液相色谱之后的又一 重大进展，它使分析科学从微升水平得以进入纳升水平， 并使单细胞分析成为可能。
度量电渗流大小是单位电场下的电渗流速率即电渗淌度
(eo)或电渗速率(ueo)，可用Smoluchowski 方程表示：
eo
o
w
ueo
eo
E
o
wE
u eo
Ld t0
eo
ueo E
Ld t0
Βιβλιοθήκη Baidu
1 E
Ld to
Lt U
电渗
以电场力驱动产生的溶液EOF，与高效液相色谱中由高压 泵产生的液体流型不同：
electrophoresis
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
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。
进样系统
毛细管分离通道十分细小，整个柱体积一般只有4~5μL， 所需的样品区带只有几纳升。
毛细管电泳的进样方式一般是将毛细管的一端从缓冲液移 出，放入试样瓶中，使毛细管直接与样品接触，然后由重力、 电场力或其他动力来驱动样品流入管中。进样量可以通过控 制驱动力的大小或时间长短来控制。CE进样技术均适用于 CEC。
毛细管电色谱（capillary electrochromatography; CEC）是毛细管电泳与液相色谱相结合形成的一种高效、 快速微分离分析技术。
毛细管电泳
毛细管电泳的原理
1 装置
电极 缓冲液
毛细管
数据处理
试样
检测器
电极 缓冲液
高压电源
（可高至30KV）
电泳
在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同的速度 或速率向其所带电荷相反电场方向迁移的现象叫作电泳。阴 离子向正极方向迁移，阳离子向负极方向迁移，中性化合物 不带电荷，不发生电泳运动。
2 电泳和电渗
– 电渗流的流型特点
电渗流 塞流
HPLC 层流
固液两相间的 总电势-热力学 电势-φ0
Zeta电势-ζ
分离原理
电泳和电渗流并存，在不考虑相互作用的前提下，粒子在 毛细管内电介质中的迁移速率是两种速率的矢量和：
u uep ueo (e p eo)E
令µapp=µep + µeo，称之为表观淌度，即从毛细管电泳测量 中得到的淌度为粒子自身的电泳淌度和由电渗引起的淌度之
柱效和分离度
与色谱相同，CE和CEC的柱效一般也用塔板数N或塔板高
度H来表示。实际应用中，可根据以下公式计算：
2
N
5.54
tR 2t1/ 2
从理论上分析，CE分离的柱效可表示为
D为扩散系数，样品相对分子质量越大，扩散系数越小， 柱效越高，所以毛细管电泳比色谱更适合于生物大分子分离 分析。
柱效和分离度
类似于HPLC，CEC的柱效可用vanDeemter方程表征：
作为一种重要的分离分析手段，CE和CEC仍沿用分离度R 作为衡量分离程度的指标，并定义如下：
R 2(tR2 tR1 ) (W2 W1 )
毛细管电泳和电色谱仪器装置
仪器基本结构
1 高压电源；2 毛细管；3 检测器；4 电极；5 缓冲液瓶；6 恒温系统；7 记录仪
电渗是CE的基本现象之一，它可以控制组分的迁移速率和 方向，进而影响CE的分离效率和重现性，所以电渗流控制 是CE中的关键问题或技术之一。
电渗流的控制
影响电渗流的因素很多，直接影响因素有： 1. 电场强度 2. 温度 3. pH值 4. 缓冲液溶剂 5. 离子强度 6. 添加剂 7. 管壁涂层
毛细管电泳
分离原理
毛细管电色谱由于引入了色谱机制，其保留机理包括两个 方面:
其一，如同HPLC，基于溶质在固定相和流动间分配过程； 其二，如同CE，基于溶质电迁移过程。CEC容量因子可 用下式表示：
k k 'k ' (ep / eo ) ep / eo
由于CEC既能分离电中性溶质，又能分离带电溶质，对 复杂的混合样品显示出强大的分离潜力。
目前有三种方法可以让样品直接进入毛细管：
电动法、压力法和浓差扩散法。
电源及其回路
电流回路系统包括高压电源、电极、电极槽、导线和电 解质缓冲溶液等。CE和CEC一般采用0 ~ ±30 kV连续可 调的直流高压电源。理想的电源应具备： 1.能输出单极直流高压(一端接地)； 2.电压、电流、功率输出模式任意可选； 3.能控制电压、电流或电功率的梯度； 4.电压输出精度应高于1%。 CE的电极通常由直径0.5~l mm的铂丝制成。 电极槽，即缓冲液瓶，通常是带螺口的小玻璃瓶或塑料 瓶(1~5mL不等)，要便于密封。缓冲液内含电解质，充于 电极槽和毛细管中，通过电极、导线与电源连通，一同 构成整个电流回路。
在充满自由溶液开口管中球形粒子的电泳速率公式为：
vep
e 6
E
电泳淌度（μep)定义为单位场强下离子的平均电泳速率， 即
ep
vep E
电渗
电渗是毛细管中整体溶剂或介质在轴向直流电场作用下发 生的定向迁移或流动。
电渗的产生和双电层有关，当在毛细管两端施加高压电场
时，双电层中溶剂化的阳离子向阴极运动，通过碰撞作用带 动溶剂分子一起向阴极移动，形成电渗流(EOF)。
毛细管及其温度控制
熔融石英毛细管在CE中应用最广泛，熔融石英拉制得 到的毛细管很脆，易折断，一般在外表面涂有聚酰亚胺 保护层，使之变得富有弹性，不易折断。
内径越小，表面积/体积比越大，散热效果越好。内径 小，样品负载小，检测、进样、清洗等操作困难。
和，并有
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u/E
Ld Lt tr U
在典型的毛细管电泳分离中，溶质的分离基于溶质间电泳
速率的差异。电渗流的速率绝对值一般大于粒子的电泳速率， 并有效地成为毛细管电泳的驱动力。溶质从毛细管的正极端
进样，带正电的粒子最先流出，中性粒子次之，带负电的粒 子在中性粒子之后流出。溶质依次通过检测器，得到与色谱 图极为相似的电泳分离图谱。
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。
毛细管电泳（capillary electrophoresis;CE）是一类以 高压直流电场为驱动力，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的差异而实现分离的新型液相 分离分析技术。
毛细管电泳是分析科学中继高效液相色谱之后的又一 重大进展，它使分析科学从微升水平得以进入纳升水平， 并使单细胞分析成为可能。
度量电渗流大小是单位电场下的电渗流速率即电渗淌度
(eo)或电渗速率(ueo)，可用Smoluchowski 方程表示：
eo
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电渗
以电场力驱动产生的溶液EOF，与高效液相色谱中由高压 泵产生的液体流型不同：