分离科学---第八章高效毛细管电泳
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ef ii
i
ef取决于许多因素，包括离子半径，溶剂化作用， 介电常数，溶剂粘度，离子形状、电荷、pH、离 解度和温度等。
第八章 高效毛细管电泳
电渗流（Electroosmotic flow, EOF）
在毛细管中，电渗流指的是体相溶液在外加
电场下整体朝一个方向运动的现象。
塞子流
层流
（A）EOF－A不存在流速场，无展宽；（BB）HPLC－存在 流速场，展宽大。
ap v' E
绝对淌度（absolute mobility,mab）
无限稀释条件下单位电场强度下离子的平均 迁移速度。它是该离子在一定溶液中的一个特征 物理常数。在手册中可以查到一些离子的绝对淌 度。
第八章 高效毛细管电泳
有效淌度（effective mobility,ef）
有效淌度是实验测出的离子淌度，它是所有产 物的离解度（i）和分子的第i离子形式的绝对淌 度乘积之总和：
第八章 高效毛细管电泳
影响电泳速度的因素：
电场强度E 介质特性（介电常数和粘度） 粒子的有效电荷 粒子大小和形状
因此，荷质比差异是电泳分离的基础。
第八章 高效毛细管电泳
淌度（Mobility, ）
因为电泳速度与外加电场强度有关，所以， 在电泳中常用淌度而不用速度来表示带电粒子的 电泳行为和特性。
第八章 高效毛细管电泳
溶质有效迁移速度和表观淌度
在 CE 中 由 实 验 决 定 的 实 际 的 离 子 迁 移 速 度 ， 称为有效迁移速度（vef）：
l
v ef
tm
l L
tm V
v a p v e fv e o(e f e) o E aE p
ap称为表观淌度（apparent mobility），或者净 淌度（net mobility）。
✓ 外加电压（V）； ✓ 有效长度和总长度之比（l/L）； ✓ 电泳有效淌度差（ef）； ✓ EOF淌度（eo）。
第八章 高效毛细管电泳
[3170ZC 1/2]1cm
带电粒子在其有效半径所组成的面存在Zeta电 势：
e q/r
第八章 高效毛细管电泳
电泳（Electrophoresis）
在半导电流体中，带电粒子在外加电场作用 下的泳动现象叫电泳。带电粒子的移动速度可以 表示为：
球形粒子：
v' e E 6
棒状粒子：
v' e E 4
veo
0 w
E
式中为0真空介电常数。 类似于电泳，常用电渗流系数或电渗淌度来
表示EOF大小：
eo veo E
第八章 高效毛细管电泳
影响电渗流的因素主要有：
电场强度E 毛细管材料 溶液的pH 电解质溶液的成分和浓度 添加剂 温度
第八章 高效毛细管电泳
电场的影响
eo
E eo ~ E关系曲线
Ac-
PO43-
HCO3-
137.4 246.5
74.5
162.0
69.0
（10-5cm2V-1s-1）
eo
41.2
47.7
49.0
49.7
Βιβλιοθήκη Baidu
51.8
➢ 相同浓度的不同的电解质，溶液的介电常数、离子强度以 及粘度不同； ➢ 同一缓冲液，浓度增大、离子强度增加，双电层变薄， Zeta电势下降，因此EOF变小。
第八章 高效毛细管电泳
添加剂对EOF的影响
中性盐（K2SO4），双电层变薄，EOF降低； 两性离子（四甲基氯化铵）增加溶液粘度，降低pH，EOF 降低； 有机溶剂甲醇、乙腈等降低离子强度（有利于提高Zeta电 势）、粘度。但通过氢键或偶极作用于管壁，改变表面电荷， 这些共同作用的结果一般使EOF变小。 表面活性剂，显著改变毛细管内壁的电荷特性。当表面活 性剂的浓度超过临界胶束浓度以后，将形成胶束，这个时候 CE的分离机理会发生变化。
第八章 高效毛细管电泳
当d衰减到原来的1/e时，离紧密层的距离定 义为扩散层的厚度（）。
Zeta电势正比于扩散层厚度 。毛细管壁上的 Zeta电势为：
w
4e
e为溶液中每单位面积总的过剩电荷，为介质的 介电常数。
第八章 高效毛细管电泳
扩散层的厚度与电解质的浓度有关，确切地 说与离子强度有关。对于二元电解质，近似有：
第八章 高效毛细管电泳
分离效率和分离度
理论塔板数 Giddings方程定义为：
l2 N 2
纵向扩散是区带展 宽的最主要因素
2 2Dm t
tm
l
apE
lL
apV
N apVl
2DL
N2VDlL(ef eo)
使用高电场 EOF速度快 扩散系数小的溶质
第八章 高效毛细管电泳
分离度
R s4 N ( v v)4 N ( a ep )f 4e 2 fV (le D f eL )o 1 /2
第八章 高效毛细管电泳
电渗流在CE中的意义
将正、负离子和中性分子一起朝一个方向产生 差速迁移 通过EOF的大小和方向的控制，还可以影响CE 的分离效率，选择性和分离度 EOF的细微变化会影响CE分离的重现性（迁移 时间和峰面积）。
第八章 高效毛细管电泳
EOF速度的大小与毛细管管壁的Zeta电势有关：
第八章 高效毛细管电泳
毛细管材料以及pH的影响
-4 2 -1 -1
10 cm V s
eo 4
2
玻璃 石英
聚四氟乙烯
3 4 5 6 7 pH
EOF和pH的关系曲线
第八章 高效毛细管电泳
电解质溶液的成分和浓度
50mmol/L钠盐缓冲液中测得的电流和电渗淌度（pH8.0）
电流（A）
B4O72-
Cit3-
第八章 高效毛细管电泳
10-4cm2V-1s-1
eo
5
0
-5
1 32
1. 癸烷基三甲基溴化铵； 2. 十二烷基三甲基溴化铵 3. 十四烷基三甲基溴化铵
01 2 3 4 56 浓度（mmol/L）
阳离子表面活性剂浓度对eo的影响（pH9.1）
第八章 高效毛细管电泳
温度对EOF的影响
温度对EOF的影响是线性的。EOF随温度的 变化主要是温度影响粘度变化的结果。温度升高 时，溶液粘度下降，因此EOF变大。
由于焦耳热的存在，毛细管内溶液的温度会 发生变化引起柱效下降，以及分离时间重现性较 差，因此，良好的散热是非常必要的。一般有空 气冷却和液体冷却两种方式。
第八章 高效毛细管电泳
调控EOF的方法：
改变缓冲液成分和浓度 改变pH 加入添加剂 毛细管内壁改性（物理或化学方法涂层及 动态去活） 改变温度 外加径向电场（改变管壁的Zeta电势）
i
ef取决于许多因素，包括离子半径，溶剂化作用， 介电常数，溶剂粘度，离子形状、电荷、pH、离 解度和温度等。
第八章 高效毛细管电泳
电渗流（Electroosmotic flow, EOF）
在毛细管中，电渗流指的是体相溶液在外加
电场下整体朝一个方向运动的现象。
塞子流
层流
（A）EOF－A不存在流速场，无展宽；（BB）HPLC－存在 流速场，展宽大。
ap v' E
绝对淌度（absolute mobility,mab）
无限稀释条件下单位电场强度下离子的平均 迁移速度。它是该离子在一定溶液中的一个特征 物理常数。在手册中可以查到一些离子的绝对淌 度。
第八章 高效毛细管电泳
有效淌度（effective mobility,ef）
有效淌度是实验测出的离子淌度，它是所有产 物的离解度（i）和分子的第i离子形式的绝对淌 度乘积之总和：
第八章 高效毛细管电泳
影响电泳速度的因素：
电场强度E 介质特性（介电常数和粘度） 粒子的有效电荷 粒子大小和形状
因此，荷质比差异是电泳分离的基础。
第八章 高效毛细管电泳
淌度（Mobility, ）
因为电泳速度与外加电场强度有关，所以， 在电泳中常用淌度而不用速度来表示带电粒子的 电泳行为和特性。
第八章 高效毛细管电泳
溶质有效迁移速度和表观淌度
在 CE 中 由 实 验 决 定 的 实 际 的 离 子 迁 移 速 度 ， 称为有效迁移速度（vef）：
l
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tm
l L
tm V
v a p v e fv e o(e f e) o E aE p
ap称为表观淌度（apparent mobility），或者净 淌度（net mobility）。
✓ 外加电压（V）； ✓ 有效长度和总长度之比（l/L）； ✓ 电泳有效淌度差（ef）； ✓ EOF淌度（eo）。
第八章 高效毛细管电泳
[3170ZC 1/2]1cm
带电粒子在其有效半径所组成的面存在Zeta电 势：
e q/r
第八章 高效毛细管电泳
电泳（Electrophoresis）
在半导电流体中，带电粒子在外加电场作用 下的泳动现象叫电泳。带电粒子的移动速度可以 表示为：
球形粒子：
v' e E 6
棒状粒子：
v' e E 4
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0 w
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式中为0真空介电常数。 类似于电泳，常用电渗流系数或电渗淌度来
表示EOF大小：
eo veo E
第八章 高效毛细管电泳
影响电渗流的因素主要有：
电场强度E 毛细管材料 溶液的pH 电解质溶液的成分和浓度 添加剂 温度
第八章 高效毛细管电泳
电场的影响
eo
E eo ~ E关系曲线
Ac-
PO43-
HCO3-
137.4 246.5
74.5
162.0
69.0
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41.2
47.7
49.0
49.7
Βιβλιοθήκη Baidu
51.8
➢ 相同浓度的不同的电解质，溶液的介电常数、离子强度以 及粘度不同； ➢ 同一缓冲液，浓度增大、离子强度增加，双电层变薄， Zeta电势下降，因此EOF变小。
第八章 高效毛细管电泳
添加剂对EOF的影响
中性盐（K2SO4），双电层变薄，EOF降低； 两性离子（四甲基氯化铵）增加溶液粘度，降低pH，EOF 降低； 有机溶剂甲醇、乙腈等降低离子强度（有利于提高Zeta电 势）、粘度。但通过氢键或偶极作用于管壁，改变表面电荷， 这些共同作用的结果一般使EOF变小。 表面活性剂，显著改变毛细管内壁的电荷特性。当表面活 性剂的浓度超过临界胶束浓度以后，将形成胶束，这个时候 CE的分离机理会发生变化。
第八章 高效毛细管电泳
当d衰减到原来的1/e时，离紧密层的距离定 义为扩散层的厚度（）。
Zeta电势正比于扩散层厚度 。毛细管壁上的 Zeta电势为：
w
4e
e为溶液中每单位面积总的过剩电荷，为介质的 介电常数。
第八章 高效毛细管电泳
扩散层的厚度与电解质的浓度有关，确切地 说与离子强度有关。对于二元电解质，近似有：
第八章 高效毛细管电泳
分离效率和分离度
理论塔板数 Giddings方程定义为：
l2 N 2
纵向扩散是区带展 宽的最主要因素
2 2Dm t
tm
l
apE
lL
apV
N apVl
2DL
N2VDlL(ef eo)
使用高电场 EOF速度快 扩散系数小的溶质
第八章 高效毛细管电泳
分离度
R s4 N ( v v)4 N ( a ep )f 4e 2 fV (le D f eL )o 1 /2
第八章 高效毛细管电泳
电渗流在CE中的意义
将正、负离子和中性分子一起朝一个方向产生 差速迁移 通过EOF的大小和方向的控制，还可以影响CE 的分离效率，选择性和分离度 EOF的细微变化会影响CE分离的重现性（迁移 时间和峰面积）。
第八章 高效毛细管电泳
EOF速度的大小与毛细管管壁的Zeta电势有关：
第八章 高效毛细管电泳
毛细管材料以及pH的影响
-4 2 -1 -1
10 cm V s
eo 4
2
玻璃 石英
聚四氟乙烯
3 4 5 6 7 pH
EOF和pH的关系曲线
第八章 高效毛细管电泳
电解质溶液的成分和浓度
50mmol/L钠盐缓冲液中测得的电流和电渗淌度（pH8.0）
电流（A）
B4O72-
Cit3-
第八章 高效毛细管电泳
10-4cm2V-1s-1
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1. 癸烷基三甲基溴化铵； 2. 十二烷基三甲基溴化铵 3. 十四烷基三甲基溴化铵
01 2 3 4 56 浓度（mmol/L）
阳离子表面活性剂浓度对eo的影响（pH9.1）
第八章 高效毛细管电泳
温度对EOF的影响
温度对EOF的影响是线性的。EOF随温度的 变化主要是温度影响粘度变化的结果。温度升高 时，溶液粘度下降，因此EOF变大。
由于焦耳热的存在，毛细管内溶液的温度会 发生变化引起柱效下降，以及分离时间重现性较 差，因此，良好的散热是非常必要的。一般有空 气冷却和液体冷却两种方式。
第八章 高效毛细管电泳
调控EOF的方法：
改变缓冲液成分和浓度 改变pH 加入添加剂 毛细管内壁改性（物理或化学方法涂层及 动态去活） 改变温度 外加径向电场（改变管壁的Zeta电势）