第6章- 高效毛细管电泳

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聚酰亚胺层 弹性熔融石英 内腔
毛细管横切面示意图
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聚酰亚胺层的作用:
增加弹性,不易折断。
为了降低温度差,可采取以下措施:
① 减小毛细管内径,常用25 ~75μm。不能太小,否 则会对进样和检测带来困难,并且易造成柱堵塞。 ② 增加壁厚(375μm)。
③ 降低聚酰亚胺涂层的厚度。
④ 降低缓冲溶液的浓度。 ⑤ 采用冷却系统。


(2)改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性,
如同改变LC中的流速;
(3)电渗流的微小变化影响结果的重现性;
在HPCE中,控制电渗流非常重要。



1.电场强度的影响 电渗流速度和电场强度成正比, 当毛细管长度一定时, 电渗流速度正比于工作电压。 2.毛细管材料的影响 不同材料毛细管的表面电 荷特性不同,产生的电渗流大小 不同;
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四、毛细管电色谱(CEC)
电泳 两种机理: 色谱 根据组分在流动相和固定相中分配系数 的不同和自身电泳淌度的差异进行分离。
五、非水毛细管电泳(NACE)
解决了一个问题:样品溶解问题; 条件:有机溶剂中须加入电解质,选择上比较困难;
比水溶液体系可承受更高的操作电压产生的高电场,因而会有更高的分 离效率。


电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的5~7倍;
各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为:


ν+ =ν电渗流+ ν+ef 阳离子运动方向与电渗流一致;
ν- =ν电渗流- ν-ef 阴离子运动方向与电渗流相反;


ν0 =ν电渗流中性粒子运动方向与电渗流一致;
(1)可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离;
●与施加的电场强度有关;
●与毛细管内径有关; 内径越小,自热就越小,(常用25 ~75μm)。
●与介质的浓度有关。

Edc
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1500
自热造成的柱效降低较小
c:介质的浓度
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自热如何产生的呢?
… …
自热是如何影响柱效的呢? 由于焦耳热通过管壁向环境散热,因此在毛细管内 形成径向温度梯度。
温度径向梯度将会导致缓冲溶液的径向粘度梯度, 从而产生离子迁移速度的径向不均匀分布,破坏了扁平 型塞子流的形状。
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-定性和定量:保留时间和峰面积(峰高)
Hale Waihona Puke Baidu

色谱过程动力学之塔板理论
第三节 毛细管电泳的主要分离模式


• 毛细管区带电泳(Capillary Zone Electrophoresis, CZE) • 毛细管胶束电动色谱(Micellar Electrokinetic Capillary Chromatography,MEKC,MECC) • 毛细管凝胶电泳(Capillary Gel Electrophoresis, CGE) • 毛细管等电聚焦(Capillary Isoelectric Focusing, CIEF) • 毛细管等速电泳(Capillary Isotachorphoresis, CITP)毛细管电动色谱(Capillary Electrokinetic Chromatography,CEC)
传统电泳与毛细管电泳的区别: 传统电泳:受到焦耳热的限制,只能在低电场强 度下进行电泳操作,分离时间长,效率低。 毛细管电泳:毛细管电泳 (CE)又称高效毛细管电泳 (HPCE) ,是指离子或带电粒子以毛细管为分离室 , 以高压直流电场为驱动力,依据样品中各组分之间 淌度上的差异而实现分离的液相分离分析技术。由 于毛细管内径小,表面积和体积的比值大,易于散 热,因此毛细管电泳可以减少焦耳热的产生,这是 CE和传统电泳技术的根本区别。
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(二)毛细管电泳的分类 按毛细管中填充物的性质分类: 自由溶液 毛细管内填充物为pH缓冲的电解质 溶液。如:毛细管区带电泳(CZE)。 非自由溶液 毛细管内填充物为凝胶或其他筛 分介质。如:毛细管凝胶电泳(CGE)。 按分理机制分类: 电泳型: 色谱型: CZE、CGE、NACE(非水) 胶束电动毛细管色谱(MECC) 微乳液电动毛细管色谱(MEECC) 电泳/色谱型:毛细管电色谱(CEC)
μef f
α γ μ
i i i
ep
ueff μeff E
i 溶质分子的 i 级离解度; i 离子的活度系数。
综上所述: 荷电粒子在电场中的迁移速度,除与电场强度和介质 特性有关外,还与粒子离解度、电荷数以及粒子的大小和 形状有关。
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当固体与液体接触时,固体表面带一种电荷,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。 当液体两端施加电压时,就会发
σ:标准偏差 D:溶质的扩散系数(随分子量的增加而降低) tm:迁移时间。
毛细管长度 影响迁移时间的因素 (参数) 外加电压 缓冲溶液的种类 等
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吸附 熔融石英内壁表面对溶质分子的吸附作用。
解决办法: 内壁涂层(或键合)
如:聚乙烯亚胺(PEI)涂层 甲基硅烷化键合: Si-O-H Si-O-Si-C 或Si-C
位时间内定向移动的距离。
或:单位电场强度下的电泳速度。
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电泳淌度
εζ i ep 4πη
ζ:粒子的Zeta电势;与粒子表面的电荷密度有关,近似正比于Z/M2/3 ; η:介质的粘度。 ε:介质的介电常数;
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有效淌度μeff 、有效电泳速度ueff :
考虑实际溶液中,溶质分子的离解程度,离子的活度 系数对离子淌度的影响。
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第四节 毛细管电泳仪
基本结构: 高压电源、进样、填灌/清洗、毛细管 温控、检测、记录/数据处理
毛细管电泳仪示意图
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一、高压电源 包括:电源、电极、电极槽
0~±30kV,精度1%
一、毛细管区带电泳(CZE)
毛细管自由溶液区带电泳
应用实例1:
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应用实例2:
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蛋白质分析:
蛋白质
酶切 CZE
肽片段混合物
分离
特征性肽图
微 量 制 备
CE
整个蛋白质 的一级结构
分别测定各片段的氨基酸序列
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二、胶束电动毛细管色谱(MEKC)
溶质
缓冲溶液
胶束(假固定相)
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三、毛细管凝胶电泳(CGE)
(1)溶液pH的影响 对于石英毛细管,溶液pH增高时,表面电离多,电荷 密度增加,管壁zeta电势增大,电渗流增大,pH=7, 达到最大; pH<3,完全被氢离子中和,表面电中性, 电渗流为零。分析时,采用缓冲溶液来保持pH稳定。 (2)阴离子的影响 在其他条件相同,浓度相同而阴离子不同时,毛细管 中的电流有较大差别,产生的焦耳热不同。 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。
H 2 D/u
D:组分的扩散系数
毛细管电泳无固定相,所以不存在涡流扩散相和传质阻抗相,只有纵向扩 散相。
n Ld /H Ld u / 2 D
n ap ELd / 2 D
理论塔板数与电场强度成正比。
E 越高越好??
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2. 自热 电流通过缓冲溶液时将会产生焦耳热(或称自热)。 自热过大将会破坏扁平型塞子流,使柱效降低。 自热与哪些因素有关呢?
生液体相对于固体表面的移动, 这种现象叫电渗现象。 电渗现象中整体移动着的液体叫 电渗流(electroosmotic flow ,简 称EOF)。
石英毛细管柱,内充液 pH >3时,表面电离成SiO-,管内壁带负电荷, 形成双电层后,电渗流 方向为由正极到负极。
Si-O-
电渗流形状:平头塞状
在电场中,液体相对毛细管内壁的移动均为向 负极方向的移动,电渗速度是电泳速度的 5 ~ 7 倍, 因此无论是正离子、负离子还是中性分子,都将随着 电渗流朝着一个方向移动。 电渗与电泳作用的对象不同: 电泳——荷电粒子 电渗——溶液(缓冲溶液,pH>2)
一、电泳和电泳淌度(mobility) 电泳:在电场作用下,带电粒子在缓冲溶液中的定向移动。
uep V μep E μep L
E:电场强度;L:毛细管长度; V:毛细管两端施加电压
电泳速度(uep
距离。
cm/s): 在单位时间内,带电粒子在毛细管中定向移动的
电泳淌度(μep
cm2/(V.s) ):带电粒子在毛细管中,单位电场强度下、单
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(一) 基本概念 毛细管总长度(L, cm) 毛细管有效长度(l, cm) 毛细管的入口端到检测窗口
的距离;
迁移时间(t, min) 带电粒子在电场作用下做定向移动 的时间; 电泳速度(v cm/s) 在单位时间内,带电粒子定向 移动的距离; 电场强度(E, V/cm) 电场强度/毛细管总长度; 电泳淌度(μ cm2/(V· s) )带电粒子在毛细管中定 向移动的速度与所在电场强度之比;
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同:均为液相分离分析方法。 可用相同的理论来描述(差速迁移),一些色谱名词概念,如: 塔板理论、速率理论、保留值等仍可使用。 异:分离原理不同; 仪器构造有很大的差异。
HPLC示意图
CE示意图
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三、毛细管电泳的特点和分类
(一)毛细管电泳的特点 1、毛细管电泳柱效更高,塔板数可达 105~106/m,(又称高效毛细管电泳,HPCE); 2、分离速度更快; 3、溶剂、试样消耗极少,(纳升级); 4、仪器成本低,(不需要高压泵); 5、选择性高。通过选择操作模式和缓冲溶液的成 分以达到对性质不同的成分的有效分离。 6、应用广泛。特别适用于氨基酸、多肽、蛋白质 和核酸等生命科学领域的测定,以后逐渐被广泛应用 于生物,化学,医药,环保等领域。与HPLC互相补充, 共同成为分析化学中重要的分离分析技术。
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不同内径毛细管的管壁温度
及其轴心与管壁的温差
内半径(μm) 25 50 75 100 125 壁温度(K) 299.0 301.2 304.2 307.7 311.6 温差(K) 0.53 1.39 3.14 5.58 8.72
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3. 扩散与吸附 扩散
纵向扩散:
2 2 DLd /u 2 Dtm
1937年,瑞典科学家蒂塞利乌斯 (Tiselius)设计了世界上第一台电泳仪, 建立了移界电泳法,用于牛血清中分离 血清蛋白、α-、β-和γ-球蛋白,并于 1948年荣获诺贝尔化学奖。 多年以来,电泳技术围绕制胶、电泳、染 色三个技术环节,不断改进,以实现下 列目标:

1、提高分辨率及灵敏度。
2、简化操作,缩短电泳时间。
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; CE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%;


5.添加剂的影响
(1)加入浓度较大的中性盐,如 K2SO4,溶液离子强度增大,使溶液 的黏度增大,电渗流减小。 (2)加入表面活性剂,可改变电 渗流的大小和方向; 加入不同阳离子表面活性剂可控制 电渗流。 加入阴离子表面活性剂,如十 二烷基硫酸钠(SDS),可以使壁 表面负电荷增加,zeta电势增大, 电渗流增大; (3)加入有机溶剂如甲醇、乙腈, 使电渗流减小。
3、扩大应用范围。
• 各类电泳技术已广泛应用于生命科学
• 毛细管电泳(CE)又称高效毛细管电泳(HPCE),
是指离子或带电粒子以毛细管为分离介质,以 高压直电场为驱动力,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液相分 离分析技术。 • 采用了0.05 mm内径的毛细管; • 采用了高达数千伏的电压。

(二)谱带展宽 影响谱带展宽的原因有两类: ① 毛细管柱内的溶液和溶质。包括:自热、扩散和吸附。 ② 仪器系统。包括:进样系统和检测系统。
1. 电渗流型
a ㈩ ㈠
b 高压
低压
HPCE(a)和HPLC(b)柱 中溶液流型的比较
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电渗流型的特点: 扁平型的塞子流。是毛细管电泳高柱效的重要原因。 毛细管电泳的速率方程:
综合了CE和平板凝胶电泳的优点,是当今分离度极 高的一种电泳分离技术,特别适用于蛋白质、多肽、寡 核苷酸、 DNA 等的分离分析,特别是与激光诱导荧光 ( LIF)检测技术结合,成为 DNA 快速序列分析的优选 方案,在人类基因工程计划中发挥重要作用。
电泳
两种机理: 分子尺寸 聚丙烯酰胺凝胶(PAG)(交联和非交联) 凝胶种类 琼脂糖、甲基纤维素及其衍生物 葡聚糖、聚乙二醇等 原则上是按照分子大小分离
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