4 综述_高效毛细管电泳技术的最新进展

高效毛细管电泳技术的简介及其进展

薄涛

安捷伦科技（中国）有限公司

自1988年第一台商品化的毛细管电泳仪问世，距今已有二十多年的时光。在这期间，毛细管电泳（CE）技术无论在理论还是应用方面，都得到了飞速的发展。今天，CE技术已逐渐成熟，在分析化学、生物化学、环境化学、材料化学、临床化学、有机化学、天然产物化学和药物化学等领域有着广泛的应用。CE技术作为一种强有力的分离分析手段，已成功地应用于小分子、大分子、中性化合物和荷电化合物的分离。此外，CE技术还是测定物化参数的重要手段。已有许多专著和综述论述了CE技术的原理和应用，我们不准备在此方面做过多的赘述。而且，在一篇综述中也不可能面面俱到。本章重点综述近年来CE技术在基础理论和应用方面的最新进展。

1.1 CE的发展概况

从1808年俄国物理学家V on Reuss [1]首次发现电泳现象到1981年Jorgenson和Lukacs[2, 3]发表现代CE技术的里程碑性成就为止，先后经历了一百七十余年。本世纪三十年代开始的传统电泳分离技术中，有多种不同介质的电泳技术被陆续开发，包括醋酸纤维电泳[4]、琼脂凝胶电泳[5]、淀粉凝胶电泳[6]、聚丙烯酰胺凝胶电泳[7]等。目前，各种电泳技术已成为研究蛋白质、核酸等生物大分子必不可少的分离、分析、纯化和制备技术。

在传统的电泳分离过程中，焦耳热的产生可使电解质溶液的密度发生变化，产生对流扰乱分离区带，使分离度下降，并且限制高电场的使用，解决这一问题的方法除使用上述各种介质外，还可以利用小内径的分离管抗对流。前人的工作从内径为3 mm[8]的石英毛细管到500 μm [9]甚至200μm [10]的聚四氟乙烯管。尽管受当时灵敏度低的限制，且未获得所预期的高分离柱效。但是，这些工作已显示出细内径毛细管给电泳分离带来的优越性，为CE的发展奠定了理论和实验基础。

1981年Jorgenson和Lukacs[2,3]的出色工作标志着CE的诞生。他们首次使用内径为75μm的石英毛细管柱，配合30 kV的高电压获得了高于40万理论塔板数的分离柱效，他们不仅设计出了结构简单的CE装置，还从理论上推导出了毛细管区带电泳（CZE）分离的效率公式。CE高效、快速的特点以及与色谱的相似性，吸引了许多有经验的色谱工作

者加入到研究CE的行列中，促进了毛细管电泳的近一步发展。Hjerten[11]于1983年提出在毛细管中填充聚丙烯酰胺凝胶的毛细管凝胶电泳（CGE）技术。1984年，Terabe[12]使用含有表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的背景电解质成功地分离了中性化合物，开创了胶束电动毛细管色谱（MEKC）。1985年，Hjerten[13]又报道了新的毛细管等点聚焦技术（CIEF）。同年，Knox[14]等利用超细的液相色谱的填料填充毛细管，发展了毛细管电色谱技术（CEC）。这样，CE的几种主要分离模式在短短几年中就形成了，其高效、快速、柱平衡快、低成本、操作模式多样且易于切换等优点使得CE成为近年来分离科学的研究核心。Table 1-1列出了常用的CE模式及其基本原理。

Table 1-1 毛细管电泳的几种分离模式及其主要分离机理

分离模式主要分离机制

毛细管区带电泳（CZE）溶质在自由溶液中的淌度差异

毛细管凝胶电泳（CGE）溶质分子尺寸与电荷 / 质量比差异

胶束电动毛细管色谱（MEKC）溶质在胶束与水相间分配系数的差异

毛细管等电聚焦（CIEF）溶质等电点差异

毛细管等速电泳（CITP）溶质在电场梯度下的分布差异

毛细管电色谱（CEC）固定相存在下溶质分配系数差异

1. 2毛细管电泳技术的最新进展

1988年，随着第一台商品化的毛细管电泳仪问世，CE技术在其理论、仪器和应用方面得到飞速发展，新技术不断涌现，应用领域不断扩大。本文在SCI检索的基础上，对1995年以来CE技术在上述领域的最新进展进行综述。

1. 2. 1 基本理论的进展

1. 2. 1. 1 非水毛细管电泳（NACE）

在CZE广泛的应用例子中，大多是在水相完成的。近年来，非水介质的毛细管电泳得到了迅速发展，在基础理论和应用方面不断完善，文献逐年增多。NACE有很多优点[15-19]：(1) 增加CE分析对象，拓宽CE分析领域。(2) NACE增多了可优化参数的个数，如介质的极性、介电常数、粘性等，使在水溶液中难溶而不能用CE分离的对象，能在有机介质中

有较高的溶解度而实现CE分离。(3) 对某些与水和非水溶剂都可溶的分析物，NACE能改善其分离度、提高灵敏度和选择性。与水体系相比，非水体系可承受更高的操作电压所产生的高电场，因而会有更高的分离效率，或者在不增大焦耳热的条件下可提高缓冲液的离子强度，因而增大了进量样，能有更好的样品堆积效应，提高检测灵敏度。在非水介质中，溶质的溶剂化和离子对效应与水相中有很大不同。此性质使溶质在非水介质毛细管中的迁移时间发生改变，甚至完全改变电迁移顺序，因而可更好地进行选择性测定。（4）以质谱（MS）技术作为CE的检测手段时，非水介质为CE-MS提供了更多的优势。在以电喷雾离子化为接口的CE-MS中，甲醇、乙腈等溶剂比水的表面张力小，可用更低的电喷雾电压，增加电喷雾的稳定性、提高离子化效率。而且选用比水具有更低沸点的有机介质作为分离体系，可改善质谱的进样口去溶剂效果，并能降低背景信号，有利于提高分析灵敏度。

M. L. Riekkola和Simo P. Porras在NACE领域做了出色的工作，对非水体系进行了系统的研究[20-26]。他们建立了以甲醇和乙腈为介质的非水体系，探讨了阴、阳离子如酸、碱性化合物在此非水体系中的电泳行为，深入研究了非水体系中离子对效应、涂壁毛细管（消除了电渗流的影响）对非水电泳行为的影响、比较了水和非水体系中酸碱性化合物物化参数的差异，并对被分析物的非水电泳行为进行了预测，研究表明实验值与理论值一致。此外，近年来还有多篇综述论述了NACE的基础理论[27-30]。

NACE的应用范围很广，可应用于无机阴、阳离子和有机小分子、大分子的分离。I. Bjornsdottir综述了NACE在食品分析中的应用[31]，I. Bjornsdottir、A. Tivesten和U. Backofen等综述了NACE在药物和体液分析中的应用[31-34]，有机酸和酚类成分的NACE分析也有综述[35-38]，K. D. Altria对带正电荷的无机和有机化合物的NACE分离进行了综述[39]，刘虎威研究组以甲醇为非水介质，对中药唐松草中八个异喹啉生物碱进行了成功的分离和测定[40]。

1. 2. 1. 2 毛细管微乳电动色谱 (MEEKC)

毛细管微乳电动色谱(MEEKC) 是九十年代在胶束电动毛细管色谱（MEKC）基础上发展起来的一种电泳新技术。微乳液早在1943年即被发现，1959年被正式命名为微乳液。在分离分析化学中，微乳液最初曾经被用于高效液相色谱[41]。1991年，Watarai第一次将其应用于CE[42]。近年来，MEEKC方面的文章逐渐增多，是毛细管电泳研究的前沿领域之一。