高效毛细管电泳分析法

高效毛细管电泳分析法

1.1 高效毛细管电泳概述

高效毛细管电泳(High Performance Capillary Electrophoresis, HPCE)是20 世纪80年代发展起来的一种新型的液相分析技术，其分离原理可以追溯到1937 年Tiselius[1]所做的研究，Tiselius 制成了第一台电泳仪并进行了第一次自由溶液电泳。而现代毛细管电泳(Capillary Electrophoresis, CE)得以普及归因于1981 年Jorgenson 和Lukacs所取得的标志性成果[2]，之后电泳技术迅速发展。CE 是经典电泳技术和现代微柱技术的结合产物，它克服了高效液相色谱(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)实验成本高、气相色谱(Gas Chromatography, GC)应用面窄、薄层色谱(Thin-Layer Chromatography, TLC)柱效低和重现性差的缺点。短短的几十年间已被广泛用于分子生物学、医学、药学、材料学以及与化学有关的化工、环保、食品、饮料等各个领域[3]。

1.1.1 高效毛细管电泳的基本原理

毛细管电泳是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，一根石英毛细管，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.

毛细管电泳的基本原理如下：毛细管电泳所用石英毛细管柱内存在两种电迁移现象：电泳现象和电渗现象。电泳现象是指带电粒子在电场作用下的迁移；在pH>3的情况下，毛细管柱内表面带负电，与溶液接触时形成双电层,在高电压作用下，双电层中的水合阳离子引起流体整体朝负极方向移动的现象叫做电渗现象[4]。粒子在毛细管内电解质中的迁移速度等于电泳和电渗两种速度的矢量和。正离子的运动方向和电渗流一致，故从负极最先流出；中性粒子的电泳速度为“零”，故以电渗流速度在正离子之后流出；负离子的运动方向与电渗流方向相反，但因电渗流速度一般都大于电泳流速度，故在中性粒子之后流出，因此各种粒子迁移速度不同而实现分离。

1.2 高效毛细管电泳在食品药品分析中的应用

食品和药品种类的多样性及其成分的复杂性对应用于其分析的方法提出了很高的要求。由于CE 具有多种不同的分离体系，可以满足许多复杂基质所含的复杂成分的分析要求，其分析的对象可以从饮用水到复杂的肉制品，分析的成分可以从简单的金属离子到蛋白质等大分子，而且CE 对被分析成分的提取、纯化及衍生等预处理没有严格的要求。因此，CE 在食品药品分析方面的应用日趋广泛。

食品和药品是由各种不同化学性质的分子组成的，在其分析中最常用的两种方法是HPLC 和GC。迄今为止HPLC 是食品药品分析中最适当的检测方法[11]，但是也会出现分离效能低的情况；HPLC 中分离度的改善不如在CE 中实施起来容易，而且操作成本也相对较高。另外，GC 不能直接用于测定难挥发不稳定的物质。而毛细管电泳的灵活性使其在食品药品分析中完全可以成为以上两者的有效补充，已用于许多食品和药品组分(成分、添加剂、残留物等)的检测。

1.2.1 成分分析

1.2.1.1 碳水化合物分析

碳水化合物分为单糖、低聚糖和多聚糖三类，是食品中的主要组分,对人体具有重要的功能性和生理性机能，因此对其分析具有极大的重要性。用于碳水化合物分析的CE 方法应用已有许多报道。CZE 和MEKC 方法均已应用于碳水化合物的分析中。通常采用间接紫外检测或柱前衍生方法解决大多数碳水化合物中不含发色团的问题。常用的衍生试剂有2-氨基吡

啶、4-氨基苯甲酸、4-氨基苄腈等。

1.2.1.2 氨基酸分析

氨基酸是生物体肽、蛋白质、酶等生物大分子的基本组成单位，在神经信息传递、代谢通路的调节以及蛋白质合成等许多生理过程中具有重要作用[23]。由于多数氨基酸的紫外可见光谱的吸收极弱，自身亦无荧光，所以通常要对氨基酸进行衍生化处理，使之具有较强的紫外或荧光吸收，以便检测。根据有无衍生步骤可以将用于氨基酸分离分析的CE 检测方法分为直接法和衍生法。根据其检测器的不同可分为紫外检测法(UV detection, UV)、激光诱导荧光检测法(1aser-induced nuorescence,LIF)、电化学检测法(electrochemical detection, EC)、质谱检测法(mass spectrometricdetection, MS)等[24]。

1.2.1.3 维生素分析

维生素是动物体和人类生命活动所必需的一类物质，属于低分子量有机化合物，只有少数能在体内合成，一般从外界摄入。当机体从外界摄取的维生素不能满足其新陈代谢需求时，就会引起维生素缺乏症，引发生理疾病。但是某些维生素摄取过多的话，也会引发中毒反应，特别是一些脂溶性维生素，能够在体内富集，更容易引起维生素中毒病症。维生素常被用作转基因食品的功能补充物质，它广泛存在于谷类、果蔬、肉禽及蛋类等加工品和各种维生素营养品中。因此，维生素的检测对食品、药品和营养品等领域都有非常重要的意义[35]。

1.2.2 食品添加剂分析

食品添加剂是用于改善食品的品质、延长食品保存期、便于食品加工和增强食品营养成分的一类化学合成或天然物质。它在食品的制造加工、包装处理及感官评定等方面起了很大的作用。由于部分食品添加剂本身具有某些毒性，其使用量受到了严格的限制[44]。采用毛细管电泳进行食品分析时，样品预处理简单、检测快速、灵敏度高，可同时分离和检测多个组分(包括中性分子、带电粒子、有机物和无机物等)，已成为近年来发展速度最快的一种分析检测新技术，尤其用于食品添加剂的检测更是潜力巨大[45]。

1.2.3 药物残留分析

残留分析是一种对复杂基质中痕量组分进行分析的技术，待测物质浓度低，浓度波动范围大，是残留分析的显著特点[54]。随着对药物残留危害的日益重视，药物残留的分析检测越发重要，因此，对其分析检测也提出了更高的要求[55]。药物残留分析的基本要求应该包括以下四点:多残留分析(MRMs)、高回收率和高重现性、低检出限、操作简单易行[56]。目前残留分析中的主要手段仍然是毛细管气相色谱和高效液相色谱及其联用技术。而毛细管电泳凭借其样品前处理少、溶剂消耗少、仪器简单、容易自动化及成本低等多项优点，成为近年来发展最快的分析方法之一。

1.3 结论

由于高效的分离能力和极少的样品进样量需求，CE 是一种高选择性、高灵敏度的分析方法。经过多年的迅速发展，CE 的重现性和灵敏度均已得到极大提高，迅速成为食品和药物分析领域不可取代的重要分析手段。由以上综述可见，毛细管电泳技术仍在以非常快的速度发展着，样品柱上浓缩技术、毛细管电色谱、非接触式电导检测等技术的开发和应用大大提高了它的分析精度，拓展了它的适用范围。然而，毛细管分离条件的寻找费时且费力，特别是对于食品药品复杂体系组分的测定，更是受基质效应的干扰。因此，将实验设计和QSPR 结合应用于实验条件的优化具有显著优势。本文将响应面方法和QSPR 联合用于不同食品中两种维生素的测定，显示了两种方法联用的潜力。

另外，样品前处理技术的选择对于后续的分离检测有重要影响，因此本文探索了环境友好型样品前处理技术的在复杂基质食品分析中的应用，与传统前处理技术相比具有明显优势。其次，针对现阶段食品和药品分析多采用HPLC 方法的现状，本文建立了几种食品和药品中组分分析的CE 方法，通过与现行HPLC 标准方法的比较，表明CE 可作为HPLC 的环境友好型