毛细管电泳法docWord文档下载推荐.docx

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3、毛细管电泳的分类

按毛细管中填充物质的性状可分为自由溶液和非自有溶液毛细管电泳；

按机制可分为电泳型、色谱型和电泳/色谱型三类。

常用于药物分析的毛细管电泳的分离模式详见表21-1

表21-1毛细管电泳主要分离模式

名称

缩写

管内填充物

说明

毛细管区带电泳

CZE

pH缓冲的自由电解质溶液，可含有一定功能的添加剂

属自由溶液电泳型，但可通过加添加剂引入色谱机制

胶束电动毛细管色谱

MECC

CZE载体+带电荷的胶束

CEZ扩展的色谱型

微乳液电动毛细管色谱

MEECC

由缓冲液、不溶于水的有机液体和乳化剂构成的微乳液

毛细管凝胶电泳

CGE

各种电泳用凝胶或其他筛分介质

属非自由溶液电泳，含有“分子筛”效应

毛细管等电聚焦

CIEF

建立pH梯度的两性电解质

按等电点分离，属电泳型，要求完全抑制电渗流

毛细管电色谱

CEC

CEC载体+液相色谱固定相

属非自由溶液色谱型

非水毛细管电泳

NACE

含电解质的非水体系

属自由溶液电泳型

第2节毛细管电泳理论

1、电泳和电泳淌度

电泳是在电场作用下带电粒子在缓冲溶液中的定向移动，这种移动速度uep由下式决定：

（21·

1）

式中E为电场强度，µ

ep为电泳淌度（mobility），即溶质在给定缓冲溶液中中和单位场强下单位时间内移动的距离，即单位场强下的电泳速度（µ

ep/E）。

下标ep表示电泳（electrophoresis）。

在空心毛细管中一个粒子的淌度可近似表示为：

（21·

2）

式中ε和η分别为介质的介电常数和粘度。

ζi是粒子的Zeta电势，这是电荷粒子形成的类似双电层结构，再剪切平面，即在荷电粒子有效半径所构成的面存在的Zeta电势，其大小和粒子表面的电荷密度有关，近似地正比与

，其中M是摩尔质量，Z是净电荷，即表面电荷越大，质量越小，Zeta电势越大，因此离子可按它们的表面电荷密度的差别，一不同的速率在电介质中移动，而实现分离。

这就是在自由溶液区带电泳中不同粒子的分离基础。

在实际溶液中，离子活度系数、溶质分子的离解度程度均对粒子的淌度有影响，这时的淌度称为有效淌度，用µ

ef表示：

3）

式中αi为样品分子的第i级离解度，

为活度系数或其他平衡离解度。

由上而见，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，还与粒子的离解度、电荷数及其大小形状有关。

2、电渗和电渗率

电渗是一种液体相对于带电的管壁移动的现象。

电渗的产生和双点层有关，由于用作毛吸管材料的石英的等电点约为1.5左右，因此在常用缓冲溶液pH（pH>

2）下，管壁带负电，即石英毛细管内壁覆盖一层硅醇基阴离子，并吸引溶液中的阳离子，由此在毛细管内壁形成表面带阴离子的双点层。

双点层中处于扩散层的阳离子，在负电荷表面形成一个圆筒形的阳离子塞流，在外加电场作用下，朝向阴极方向运动，如图21-2。

由于这些阳离子是溶剂化的，当它们沿剪切面作相对运动时，携带着溶剂一齐向阴极迁移，形成电渗流（electroosmoticflow;

EOF）。

在开管柱条件下，毛细管内电渗流为平头塞状，即流速在管截面方向上不变。

电渗流速度uos以下式表示：

4）

式中µ

os为电渗率（或电渗淌度），ζos为管壁的Zeta电势，下标os表示电渗。

在多数水溶液中，石英和玻璃毛细管表面因硅醇基离解会产生负电荷，许多有机材料如聚四氟乙烯，聚苯乙烯等也会因为残留的羧基而产生负电荷，其结果是产生指向负极的电渗。

因此，在通常的毛细管区带电泳条件下，电渗流从阳极流向阴极，其大小受电场强度、Zeta电势、双电层厚度和介质粘度的影响。

一般，Zeta电势越大，双电层越薄，粘度越小，电渗流值越大。

在一般情况下，电渗流的速度是电泳速度的5~7倍。

3、表观淌度和权均淌度

在毛细管电泳中，同时存在着电泳流和电渗流，在不考虑相互作用的前提下，粒子在毛细管内的运动速度应当是两种速度的矢量和，

即：

5）

或

6）

uap为表观迁移速度，µ

ap称为表观淌度（apparentmobility）。

当把试样从正极端注入到毛细管内时，不同符号的离子将按表21-2的速度向负极迁移。

分离后出峰的次序是：

正离子>

中性分子>

负离子。

中性分子都与电渗流速度相同，不能相互分离。

表21-2在电泳中的组分迁移速度

组分

表观淌度

表观迁移速度

正离子

µ

ef+µ

os

uef+uos

中性离子

uos

负离子

os-µ

ef

uos-uef

在毛细管内一旦灌入缓冲溶液，就可能形成固-液界面，这就有了向分配的基础条件。

如果在毛细管中引入另一相，如胶束、高分子团等准固定相或色谱固定相等，称为P相，则试样就会有机会在溶液相与P相之间进行分配。

这样，当试样组分在电迁移过程中会发生相间分配，其迁移速度或淌度将发生变化。

因此，引入另一平衡的粒子迁移速度和淌度，称之为加权平均速度和加权平均淌度，简称为权均速度和权均淌度，以符号u和µ

表示。

设相分配过程远快于电泳过程，则有：

7）

8）

式中kp为容量因子，np和ns分别为试样在P相和溶剂中的分子数，µ

p为P相的表观淌度。

注意，P相在电场中可静止，也可迁移，运动方向可正、可负。

引入P相后，可以使中性组分产生不同的权均淌度，因而解决中性组分在毛细管电泳中的分离问题。

4、分离效率和谱带展宽

（1）理论塔板数和塔板高度

由于毛细管电泳在功能和结果显示形式上，与色谱技术颇为相似，因此，在不少讨论中引入与色谱相似的处理和表达方法，特别是直接沿用了色谱的塔板高度H和理论塔板数n的概念，用以表示柱效。

9）

tm为流出曲线最高点对应的时间，称为迁移时间（migrationtime）。

因为毛细管电泳中，在理想情况下粒子和管壁之间的相互作用可以忽略，因此可以认为没有离子保留下来，所以用迁移时间代替色谱中的保留时间。

另外，对于柱上检测的毛细管电泳来说，记录器上显示峰顶时，组分尚未流出，因此在毛细管电泳的塔板高度为：

10）

Ld为进样口到检测器的距离。

理论塔板数和塔板高度用来评价色谱峰的展宽，衡量整个毛细管电泳系统性能的优劣。

但塔板理论是以分配平衡为基础的色谱理论概念，这种分离理论的基础和电泳所涉及的被分离物质的电荷、质量及形状等有着本质的差别，因此，在毛细管电泳中引入理论塔板数的概念主要是为了寻求一种对分离效率评价的通用方法。

（2）谱带展宽

在毛细管电泳中，影响谱带展宽的原因主要有两类：

来源于柱内溶液和溶质本身，其中特别是自热、扩散和吸附；

来源于系统，如进样和检测。

下面对第一类来源进行讨论，第二类的影响将在一起部分讨论。

1.流型毛细管电泳中的电渗是流体相对于带点管壁移动的一种现象，是由离表面很近的一层过剩的正离子层引起，这就如在毛细管内形成一个带电的外壳，包围着流体内核，在管子两端加了电场后，带电的外壳带动管子内的其余流体以相同的速度向负极移动。

在内径很小的毛细管内，整个流体会像一个塞子一样以均匀的速度向前运动，使整个流型呈扁平型。

呈扁平型的柱效的重要原因。

但如果毛细管直径太大，如大于200~300µ

m，或者内部的自然热过大，则这种流型可能会被破坏。

与之相应的压力驱动系统，如HPLC中的泵驱动，液体和固体表面接触处的摩擦力会导致压力降低，从而是流线呈抛物线型，或称层流。

靠近管壁出，其速度趋近于零，而中心出的速度则是平均速度的2倍，两种流型的示意图如图21-3。

由于在毛细管电泳中无固定相，因此速率方程中不存在传质项，而且流型又是扁平的，于是只有纵向扩散项：

11）

13）

由式（21·

5）和式（21·

6）得：

由上式可知，理论塔板数与电场强度成正比，电场强度越大，柱效越高这是因为溶质在较高的电压下，以较快的速度通过柱子，纵向扩散小。

理论塔板数还与溶质的扩散系数成反比，扩散系数越小的分子柱效越高，因为分子越大，扩散系数越小。

所以毛细管电泳特别适合分离生物大分子。

2.自热电流通过缓冲溶液时产生焦耳热（或称为自热），在普通电泳中这种自热已成为实现快速、高效的重大障碍。

对毛细管电泳而言，管内径是影响自热的一个重要因素。

Knox等人指出，如果毛细管的直径能满足下述方程，那么自热就不会引起太严重的谱带展宽和效率损失，此方称为：

14）

式中E是电场强度（KV/m），C是介质浓度（mol/L），d为管内径（µ

m），在E=50KV/m，C=0.01mol/L的条件下，求得d值小于140µ

m。

实验结果较此值还小一些，因此目前采用的多是内径25µ

m~75µ

m的毛细管。

事实上，毛细管电泳之所以能实现快速高效，很大程度上就是由于采用了极细的毛细管。

若使用更细的的柱子，则会在检测、进样等方面带来一系列困难，极易造成柱的堵塞。

电泳中的自热影响柱效的原理：

由于焦耳热通过管壁向周围环境扩散时，在毛细管内形成径向温度梯度，如内半径为50µ

m的毛细管，轴心与管壁之间的温差为1.39℃，内半径为100µ

m时，则为5.58℃。

温度径向梯度导致缓冲溶液的径向粘度梯度，因而产生离子迁移速度的径向不均匀分布，破坏了区带的扁平流轮廓，导致区带展宽，塔板高度增加。

毛细管温度差大小取决于管内径、壁厚、聚酰亚胺外涂成的厚度，以及从中心到壁管的传热系数。

因此管内径以小为宜，外径则越大越好，实际上常用内径50µ

m，外径达375µ

同时也可降低缓冲液浓度来降低焦耳热。

另外对仪器来说，可采用冷却温控方法来减少焦耳热。

3.扩散与吸附前面一叙述，在毛细管电泳中，一般情况下，溶质纵向扩散是谱带展宽的唯一因素，从式（21·

11）和（17·

37）可得：

15）

从上式可看出扩散引起的谱带方差（

），由溶质的扩散系数和迁移时间两项决定。

迁移时间受许多分离参数影响，如外加电压、毛细管长度、操作缓冲溶液浓度等。

扩散系数是溶质本身的一种物理特性，它随分子量的增加而降低。

在毛细管电泳中吸附一般是指毛细管壁对于被分离物质粒子的作用。

要考虑到管壁表面活性中心的位置以及活性大小，不同溶质分子之间或者溶质分子与溶剂分子之间对管壁活性中心的竞争吸附等因素对溶质吸附的影响。

造成管内壁表面吸附的主要原因有两个：

阳离子溶质和带负电的管壁的离子相互作用。

疏水作用。

毛细管内表面积和体积之比越大，吸附的可能性也越大，因此，细内径的毛细管不利于降低吸附。

5、分离度

分离度是指将淌度相近的组分分开的能力，毛细管电泳仍然沿用色谱分离的R的公式来衡量两组分分离度：

16）

式中下标1和2分别代表相邻两个物质，W为以时间表示的峰宽。

分离度也可以表示为柱效的函数：

17）

这里

为两相相邻组分的相对速度差。

用

代替

将式（21·

13）和式（21·

·

15）代入（其中E=V/L），得：

18）

上式表明，R是下列四个因素的函数：

外加电压V；

有效柱长与总长度之比（Ld/L）；

电泳有效淌度差（

）；

电渗淌度（

）。

第3节毛细管电泳的主要分离模式

1、毛细管区带电泳

毛细管区带电泳（CapillaryZoneElectroporesis；

CZE）也称为毛细管自由溶液区带电泳，是毛细管电泳最基本也是应用最广的一种操作模式，通常把它看成其他各种操作模式的母体。

在上述关于毛细管电泳的理论讨论中，一般都以区带电泳作为对象进行阐述。

在CZE中，主要选择的操作条件是电压、缓冲溶液以及其pH和浓度、添加剂等。

下面分别叙述这些条件。

1.操作电压分离体系的最佳外加电压值与毛细管内径和长度及缓冲溶液浓度（离子强度）有关。

一般，在柱长确定时，随操作电压的增加，电渗流和电泳流速度的绝对值都会增加，迁移时间缩短，尽管电泳流速的增加视粒子所带的电荷而异，但由于电渗流速度一般远大于电泳流速度，因此表现为粒子的总迁移速度加快。

在升高电压的同时，将使柱内的焦耳热增加，缓冲液的粘度减小，而粘度和温度的关系是指数型的，因此使操作电压和迁移时间的关系不呈线性，表现为电压高时速度增加更快一些。

关于电压和柱效的关系，前面已有详细的讨论，即在一定范围内柱效随电压的升高而升高，过了极点后，随着电压的升高，焦耳热的影响加剧，柱效反而下降，而极点的具体位置视系统和组分而异。

2.缓冲液的种类缓冲溶液的选择直接影响力子的迁移和分离，还影响进样过程，特别是采用电进样方法时更是如此。

缓冲溶液的选择通常考虑下述几点：

在所选择的pH范围内有很好的缓冲容量。

在检测波长的吸收低。

自身的淌度低，即分子大而荷电小，以减少电流的产生。

为了实现有效进样和有合适的电泳淌度，缓冲溶液的pH至少必须比被分析物质的等电点（PI）高或低1个pH单位，例如，pH8.5的缓冲溶液可以用来分析等电点低于7.5或高于9.5的蛋白质。

只要条件允许就尽可能采用酸性溶液，在低pH下，吸附和电渗流值都很小，毛细管涂层的寿命较长。

除此之外，要特别强调的是在配制毛细管电泳用的缓冲溶液时，必须使用高纯蒸馏水和试剂，用0.45µ

m的滤器滤过以除去颗粒等。

常用于CE的缓冲溶液有硼砂、磷酸盐、柠檬酸盐、琥珀酸盐和醋酸盐等。

一些生物学上的理想缓冲溶液（表21-3）也特别有用，因为它们的离子质量都很大，可采用高浓度而不产生大电流。

表21-3HPLC中的生物缓冲液

pKa

2-[N-吗啉]-乙烷磺酸（MES）

6.13

甘氨酰胺

8.20

N-[2-乙酰氨基]-2-亚氨基二乙酸（ADA）

6.60

三（羟甲基）氨基甲烷（TRIS）

8.30

哌嗪-N,N,-双[乙烷磺酸]（PIPES）

6.80

N,N,-双[2-羟乙基]甘氨酸（BICINE）

8.35

3-[N-吗啉]-丙烷磺酸（MOPSO）

6.90

硼酸盐

9.24

2-[双-（2-羟乙基）]氨基磺酸（BES）

7.16

2-[N-环己氨基]乙烷磺酸（CHES）

9.55

N-2-羟乙基哌嗪-N,-2-乙烷磺酸（HEPES）

7.55

3-[环己氨基]-1-丙烷-磺酸（CAPS）

10.40

N-2-羟乙基哌嗪-N，-2-丙烷磺酸（HEPPS）

7.90

3.缓冲溶液的pH对于两性电解质来说，它的表观电荷数受到缓冲溶液的影响，在不同的pH下有不同的电荷，因此有不同的质荷比及电荷密度，给迁移带来很大的影响。

在缓冲溶液的pH低于溶质的pI值时，溶质带正电，朝阴极泳动，和电渗同向，粒子迁移的总速度较电渗还快，若缓冲溶液的pH高于溶液的pI值，情况则恰恰相反。

除影响溶质的电荷外，pH的改变还会引起电渗的相应变化。

在高pH下，电渗很大，溶质的流出次序依次为阳离子，中性分子和阴离子。

这中性分子之间无法分离，因为净电荷数为零。

对阴离子而言，则有两种情况，电泳淌度的绝对值小于电渗太大又往往会使溶质在分离前即被流出。

在这种情况下，需要增加柱长或者降低电渗流

4.缓冲溶液的浓度缓冲溶液浓度增加，使离子强度增加，能减少溶质和管壁之间、被分离组分之间（如蛋白质-DNA）的相互作用，从而改善分离。

在大多数情况下，随着缓冲溶液浓度的增加，电渗率降低，溶质的迁移率下降，因此迁移时间延长。

随着浓度的增加，导电的离子数增加，在相同的电场强度下毛细管的电流值增大，焦耳热增加。

缓冲溶液的浓度对柱效的影响比较复杂，因为要同时顾及扩散和粘度的影响。

一般，对于迁移时间较短的组分，其柱效随浓度的增加而明显提高，而对于后出峰的各组分则无明显的相关性。

2、胶束电动毛细管色谱

胶束电动色谱（micellarelectrokineticchromatography；

MEKC）是以胶束为假固定相的一种电动色谱，是电泳技术和色谱技术的结合。

因在毛细管中进行，故又称为胶束电动毛细管色谱（Micellarelectrokineticcapillarychromatography；

MECC）。

MECC是在电泳缓冲溶液中加入表面活性剂，当溶液中表面活性剂浓度超过临界胶束浓度（CMC）时，表面活性剂分子之间的疏水基团聚集在一起形成胶束（假固定相），溶质不仅可以由于淌度差异而分离，同时又可基于在水相和胶束相之间的分配系数同而得到分离，这样毛细管区带电泳中不能分离的中性化合物，在MECC中可以分离。

1.胶束假固定相胶束是表面活性剂的聚集体，表面活性分子由亲水和疏水基组成，疏水部分是直链或支链烷烃，或甾族骨架；

亲水部分则较多样，可以是阳离子、阴离子、两性离子的基团。

常用的阴离子表面活性剂有十二烷基硫酸钠（SDS）、N-月桂酰-N-甲基牛磺酸钠（LMT）、牛磺脱氧胆酸钠（STDC）等。

阳离子表面活性剂最常用的是季铵盐，如十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）等。

阳离子表面活性剂分子易吸附在石英毛细管壁上，常可使电渗流转向或减慢电渗流速度，称之为EOF改性剂。

表面活性剂在低浓度时，以分子形态分散在水溶液中，当浓度超过某一最小值，分子缔合形成胶束。

表面活性剂开始聚集形成胶束时的浓度，称为临界胶束浓度（CMC）。

CMC一般小于20mmol/L。

胶束有多个分子缔合而成，组成一个胶束的分子数叫做聚集数（n）。

典型的胶束由40~140个分子组成，如SDS为62，DTAB为56。

2.基本原理MECC比起CZE来说，增加了带电的离子胶束这一相，是不固定在柱中的载体（假固定相），它具有与周围介质不同的淌度，并且可以与溶质互相作用。

另一相是导电的水溶液相，是分离载体的溶剂。

在电场作用下，水相溶液EOF驱动流向阴极，离子胶束依其电荷不同，移向阳极或阴极。

对于常用的SDS胶束，因其表面带负电荷，泳动方向与EOF相反，朝阳极方向泳动。

在多数情况下，EOF速度大于胶束电泳速度，所以胶束的实际移动方向和EOF相同，都向阴极移动（图21-6）。

中性溶质在水相中随电渗流移动，进入胶束中则随胶束泳动，基于其与胶束作用的强弱，在两相间的分配系数不同而得到分离。

3.流动相在MECC中可以通过改变流动相来调节选择性。

溶质在胶束相和流动相之间进行分配，因此改变缓冲溶液体系将会对溶质分配系数，进而对容量因子和迁移产生影响。

流动相的改变通常包括缓冲溶液种类、成分。

pH和离子强度的改变，也可通过添加有机改性剂来实现。

pH能影响电动色谱中带电组分迁移的速度，也影响电渗速度，但是不改变SDS的荷电状况，因此不影响它的泳流速度。

三、毛细管凝胶电泳

毛细管凝胶电泳（capillarygelelectrophoresis；

CGE）综合了毛细管电泳和平板凝胶电泳的优点，成为分离度极高的一种电泳分离技术。

在CGE中，毛细管内充有凝胶或其他筛分介质，这些介质在结构上类似于分子筛。

流经凝胶的物质，原则上按照分子的大小分离。

应用最多的介质是交联和非交联聚丙烯酰胺凝胶（Polyacrylamidegel；

PAG）。

交联PAG是由丙烯酰胺单体与甲撑双丙烯酰胺作交联剂聚合而成，非交联（线性）PAG在无交联剂存在下聚合而成。

除PAG外，琼脂糖、甲基纤维素和它的衍生物，以及葡聚糖、聚乙二醇等也被用作CE分离介质。

线性聚丙烯酰胺、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇等属于非胶筛分介质，它们是一些亲水线性或枝状高分子。

这些物质溶解于水，当浓度大到一定值时会形成动态网络。

将不同聚合度的聚乙烯醇进行组合，能够构建出适合于DNA测序用的介质。

结合使用SDS，利用不同浓度的纤维素组合，可以进行蛋白质分子量的测定。

由于受凝胶介质对pH的限制，CGE缓冲溶液的可选择性小于CZE。

当使用非胶筛分介质时，缓冲溶液的选择和CZE没有差别。

四、毛细管电色谱

毛细管电色谱（capillaryelectrochromatography,CEC）是在毛细管电泳技术的不