毛细管电泳0445Word格式文档下载.docx

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表1　高效毛细管电泳的发展历程

第一节高效毛细管电泳装置

将开管柱气相色谱理论与技术应用于经典电泳，从而诞生了一种新的高效的分离模式，高效毛细管电泳（highperformancecapillaryelectrophoresis,HPCE）。

它的性能在分离许多生化物质上要优于一般色谱法。

图5-2毛细管电泳仪结构示意图

高压电源供给Pt电极上的电压高达5-30kV。

典型毛细管长约10-100cm，内径为25-100μm，其材料可以是熔融石英。

为了分离需要，也可采用预先经化学或物理吸附改性的毛细管。

一般通过加压到电解质缓冲剂容器中或在毛细管出口减压，强使溶液通过毛细管。

两端缓冲剂必须定期更换，这是由于在实验过程中，离子不断地被消耗，阴极和阳极缓冲液的pH值升高或降低。

被分析样品的加入可以通过两种方法来实现。

一是重力注射，即把毛细管一端浸没在样品溶液中，将此溶液提升，超过另一端缓冲液液面约10cm，使样品进入毛细管。

二是电动进样，即在数秒种内，加5KV的短脉冲，由于电渗流的作用，使5-50μL的样品进入毛细管。

常用的检测器有紫外吸收检测器，二极管阵列检测器、荧光检测器、采用碳纤维的安培检测器，以及电导检测器等。

第二节高效毛细管电泳的理论

一、电泳法的基本原理

　　当带电粒子以速度υ在电场中移动时，所受到的电场力为

FE=qE

式中FE－电场力；

q－溶质粒子所带的有效电荷；

E－电场强度。

带电粒子运动时所受的阻力，即为摩擦力，

F=fυ

式中F－摩擦力；

f－摩擦系数；

υ－溶质粒子在电场中的迁移速度。

当平衡时，电场力和摩擦力相等而方向相反，

　　　　　　　　　　　qE＝fυ

所以　　υ＝qE/f=qE/6πrη　（球状粒子）orυ＝qE/f=qE/4πrη（棒形粒子）

r－表观液态动力学半径；

η－介质粘度。

因为ξe=q/εr，用荷电粒子的zeta电势来表示：

υ＝εξeE/6πη（球状粒子）υ＝εξeE/4πη（棒形粒子）

由此可见，荷电粒子在电场中的迁移速度，除了与电场强度和介质特性有关外，还与粒子的有效电荷及其大小和形状有关。

因此，粒子的大小与形状，以及其有效电荷的差异，就构成电泳分离的基础。

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（mobility，μ）而不用速度来描述荷电粒子的电泳行为与特性。

电泳淌度（μep）定义为单位场强下离子的平均电泳速度，即

μep=υ/E

二、电渗流

当固体与液体相接触时，如果固体表面因某种原因带一种电荷，则因静电引力使其周围液体带另一种电荷，在固液界面形成双电层，二者之间有电势差。

当液体两端施加电压时，就会发生液体相对于固体表面的移动。

把这种液体相对于固体表面移动的现象叫电渗现象。

电渗现象中液体的整体流动叫电渗流（electrOosmoticf1ow，简称EOF）。

毛细管电泳分离的一个重要特性是毛细管内存在电渗流。

电渗流的来源如图5-3所示。

图5-3电渗流的形成

1.电渗流的大小和方向

电渗流υeo的大小:

υeo=μeoE

电渗淌度μeo:

μeo=εoεζ/η

εo－真空介电常数；

ε－电泳介质的介电常数；

ζ－毛细管壁的zeta电势，它近似等于扩散层与吸附层界面上的电位。

在实际电泳分析中，电渗流速度υeo可通过实验测定：

　　　　　　υeo＝l/teo

式中，l－毛细管的有效长度；

teo－电渗流标记物（中性物质）从进样端迁移至检测器的时间。

电渗流的方向决定于毛细管内壁表面电荷的性质。

当缓冲液的pH在3以上，石英管壁上的硅醇基（≡Si-OH）离解生成阴离子（≡Si-O-），使表面带负电荷，它又会吸引溶液中的正离子，形成双电层，从而在管内形成一个个紧挨的“液环”。

在强电场作用下，它自然向阴极移动，形成了电渗流。

电渗流迁移率大小与缓冲液的pH值高低及离子强度有密切关系。

pH值越高，电渗流迁移率越大；

离子强度越高，电渗流迁移率反而变小；

在pH为9的20mmol·

L-1的硼酸盐缓冲液中，电渗流迁移率的典型值约为2mm·

s-1。

pH值越小，硅醇基带的电荷越少，电渗流迁移率越小；

pH值越大，管壁负电荷密度越高，电渗流迁移率越大。

若在管内壁涂上合适的物质或进行化学改性，可以改变电渗流的迁移率。

例如蛋白质带有许多正电荷取代基，会紧紧地被束缚于带负电荷的石英管壁上，为消除这种情况，可将一定浓度的二氨基丙烷加入到电解质溶液中，此时以离子状态存在的+H3NCH2CH2CH2NH3+，起到中和管壁电荷的作用。

也可通过硅醇基与不同取代基发生键合反应，使管壁电性改变。

2.渗流的流型

由于毛细管内壁表面扩散层的过剩阳离子均匀分布，所以在外电场力驱动下产生的电渗流为平流，即塞式流动。

液体流动速度除在管壁附近因摩擦力迅速减小到零以外，其余部分几乎处处相等。

这一点和HPLC中靠泵驱动的流动相的流型完全不同，图中表示HPCE中电渗流与HPLC中流动相的流型及它们对区带展宽的影响。

图5-4电渗流和高效液相色谱的流型（上图）及相应的溶质区带（下图）

A.电渗流；

B.高效液相色谱中的流型

在外加强电场之后，正离子向阴极迁移，与电渗流方向一致，但移动得比电渗流更快。

负离子应向阳极迁移，但由于电渗流迁移率大于阴离子的电泳迁移率，因此负离子慢慢移向阴极。

中性分子则随电渗流迁移。

一般情况下，电渗流速度约等于一般离子电泳速度　的5－7倍。

可见正离子、中性分子、负离子先后到达检测器。

实验证明，不电离的中性溶剂也在管内流动，因此利用中性分子的出峰时间可以测定电渗流迁移率的大小。

因此，电渗流在HPCE中起泵的作用，在一次CE操作中同时完成正负离子的分离分析，而电渗流的微小变化会影响CE分离测定结果的重现性，改变电渗流的大小或方向可改变分离效率和选择性。

3.毛细管电泳柱效率

CE中的分离效率用理论塔板数N表示，其理论表达来源于色谱理论，用Giddings方程定义为：

　　　　　　　　N=l2/σ2

式中l－有效长度，σ－区带中浓度分布的方差。

在理想CE中，

（1）毛细管中的流液为平流，即塞式流动，溶质在柱中的径向扩散几乎完全忽略；

（2）毛细管本身具有抗对流性，对流引起的峰加宽不明显；

（3）没有或很少有溶质与管壁间的相互吸附作用，忽略吸附引起的加宽作用。

此时，可认为溶质的纵向扩散是高效毛细管电泳中引起溶质峰加宽的唯一因素，这相当于色谱速率理论中的第二项即分子扩散项对板高的影响，则：

σ2=2Dt（D－溶质的扩散系数）

因t=l/υeo=l/μeoE

N=μeoEl/2D

由此看出，

（1）表观电渗淌度大，工作电压大，扩散系数小，都可使N大，分离效率高；

（2）在相同电流条件下，扩散系数小的溶质比扩散系数大的溶质的分离效率高，即扩散引起的峰加宽较小，分离效率较高。

这就是HPCE能高效分离生物大分子（如蛋白质、核酸等）的理论依据。

另外，和一般色谱一样，分离效率也可直接从电流图求出，即

N=5.54（t/W1/2）2orN=16（t/W）2

4．分离度

　　分离度Rs:

Rs=ΔL/W=ΔL/4σ

因为两峰之间的距离（ΔL）正比于两组分的迁移速度之差（Δυ）,所以两峰中心之间的距离与两组分迁移距离的平均值（即毛细管的有效长度Lef）之比等于两组分迁移速度的平均值（υ）之比。

ΔL/Lef=Δυ/υ

则　　Rs=（Lef/4σ）（Δυ/υ）

由　N=（Lef/σ）2得Rs=（√N/4）（Δυ/υ）

由于Δυ/υ=Δμ/μ，　相邻两组分的相对速度差等于相邻两组分的相对淌度差

所以Rs=（√N/4）（Δμ/μ）

通常，在电流图上读出两相邻峰的迁移时间和它们的峰宽，可计算Rs

Rs=2（t2-t1）/（W1+W2）

第三节　影响毛细管电泳的因素

一、毛细管电泳的外加电压

CE技术有许多优点，其中最重要的是高分离度和快速分离能力。

CE优于传统电泳技术，就在于毛细管能有效散热，因而能外加高电压（200－400V/cm）以上，大大提高了分离度和缩短了分析时间。

溶质的迁移时间、柱效和分离度都可以从升高外加电压而获得。

但电压升高，产生的焦尔热增多，在不能有效地驱散所产生的热量时，柱温会显著升高。

商品仪器中，高压电源的输出备有多种工作模式供用户选择。

最通常的模式有恒压、恒流、恒功率和场强程序。

大多数CE分离，采用恒压操作模式。

理论证明，t与电压的倒数成正比，因此高稳定度的电压是获得迁移时间重现性的必要条件。

但是，若考虑到焦耳热效应，这种函数关系就不确切了。

以恒流模式操作将会得到更好的重现性，特别是缓冲溶液浓度较大，系统冷却效果较差的情况更是如此。

严格他说，毛细管内产生焦耳热的多少与毛细管内产生的电功率成正比，因此，也可用恒功率模式操作，以获得更好的重现性。

在许多情况下，希望加在毛细管两端的电压（或通过的电流、功率）可以按预编程序变化，电源输出（V或I，P）是时间的函数。

例如，在分离开始时，以一定斜率升至所需高压，可以免除突然升压产生急剧生热而引起样品从管口溅出；

又如在相邻区带靠得非常近的情况下，为了有足够的时间收集分离组分时能降低电压，放慢迁移速度。

对于这些情况，就需要使用场强程序操作模式，它可以根据操作者的意图，在分离过程中自动按指定程序改变电压（或电流、功率）。

二、毛细管电泳柱

HPCE的核心是在高电场下进行电泳分离。

实现高电场的关键部件是小孔径毛细管电泳柱。

在同样电压下，孔径愈小，电流愈小，产生的焦耳热量愈少。

此外，孔径愈小，表面积／体积比愈大，散热效果愈好。

因为毛细管中心和管壁之间的热梯度与半径的平方成正比，管径增大，径向热梯度按其半径的平方增大，分离度急剧下降。

所以，从散热效果看，孔径愈小愈好，已有用小至内径只有2μm的毛细管作电泳分离的报道。

但是，孔径小，样品负载小，增加检测困难，也增加进样、清洗等操作上的困难，而且还由于表面积／体积比大，增加了吸附作用。

因此，CE分离柱孔径的下限受检测灵敏度等的限制，其上限受径向热梯度制约，一般使用的柱内径在25一100μm之间，最常用的是50μm和75μm。

柱的壁厚或外径对散热速率有影响．内径一定时，外径大，散热面积大，散热速度快。

通常外径>

300μm。

柱长一般为40～100cm，视实际情况而定。

目前使用的大都为圆形弹性熔融石英毛细管，柱外涂敷一层高聚物（聚酰亚胺）薄膜，使其柔软有弹性，不易折断。

剥去一小段，可作光学检测窗口。

三、缓冲溶液

背景电解质的类型对CE分离效果有很大影响，背景电解质的选择目前还尚无严格规则可循，但有如下几个基本要求必须满足。

（1）要求有一定的pH调节范围，并在该pH范围有足够的缓冲容量。

因为zeta电势对pH很敏感，在分离过程中要求保持恒定的pH值。

（2）尽可能选择浓度高而产生电流小的缓冲溶液。

因为浓度高可以提高分离度Rs，电流小可允许使用较高的外加电压。

（3）缓冲溶液的表观淌度接近样品溶质的淌度，否则，引起区带发散。

（4）在某些情况下，对缓冲溶液有特殊要求，例如，在多元醇和糖类化合物分离中，利用硼酸盐缓冲溶液与样品溶质发生络合反应，使中性分子形成络合阴离子得到分离；

在儿茶酚胺类化合物的分离中，儿茶酚胺阳离子在pH9.0时与硼酸络合变成阴离子后与EOF反向，提高了分离度。

又如在间接法检测中，背景电解质充作生色团（间接UV吸收测定）或荧光团（间接荧光法测定）时，对缓冲溶液有特定的要求。

溶液pH强烈地影响熔硅毛细管的表面特性。

在pH4～6范围，Si－OH基的电离对pH非常敏感，表面电荷变化非常大，EOF对pH表现出很强的依赖性。

在高pH下，Si－OH基电离趋于饱和，EOF达到最大且变化平缓，而在低pH，电离受到抑制，EOF接近零。

因此，通过缓冲溶液pH的调节可以使EOF在接近零至1×

10–3cm2／V.s之间变化。

EOF对pH的强依赖性，导致t对pH的强依赖性。

因此，缓冲溶液pH成为影响t重现性的关键参数

离子的电泳淌度直接正比于它的有效电荷。

离子的有效电荷受操作缓冲溶液pH的影响。

因此，缓冲溶液pH的调节与控制是优化分离的重要对策，在蛋白质和多肽分离上更是如此。

对于有等电点的溶质，pH变化可改变其电性。

当pH＞pI时，溶质荷净的负电荷，与EOF反向迁移，当pH＜pI时，溶质荷净正电荷，与EOF同向迁移。

因此，在复杂组分体系中，即使它们的pI值相差不多，通过pH优化也能获得成功分离。

对于弱电解质和基于形成络合物的CE分离，化学平衡——酸碱平衡或络合平衡，强烈地依赖于pH的变化。

四、缓冲溶液添加剂

在CE分离中，除了背景电解质外，常常还在缓冲溶液中添加某种成分，通过它与管壁或与样品溶质之间的相互作用，改变管壁或溶液相物理化学特性，进一步优化分离条件，提高分离选择性和分离度。

常用添加剂有如下几类：

（1）表面活性剂，如季铵盐等；

（2）有机溶剂，如甲醇、乙睛等；

（3）两性离子，如三甲铵基甲内盐（CH3）3-N+-CH2-COO-等；

（4）金属盐，如K2SO4，LiCl等；

（5）手性试剂，如环糊精、冠醚等；

（6）其它，如尿素、线性聚丙烯酰胺等。

根据添加剂的种类和特性以及分离体系的具体条件，添加剂可以起到如下一些作用：

（1）控制EOF大小与方向，达到增强分离选择性，缩短分析时间，提高分离度的目的；

（2）抑制管壁吸附作用，提高分离效率和重现性，这对生物大分子分离尤为明显；

（3）稳定溶质（如蛋自质等生物大分子）的三级结构，增加疏水溶质的溶解度；

（4）扩大分离对象，如添加手性试剂进行手性物质分离，添加络合剂进行中性分子的分离；

（5）增加溶液粘度，降低电流，优化分离条件。

五、CZE的温度效应

柱温升高，溶液粘度降低，迁移时间缩短。

在CE分离过程中，焦尔热效应可能引起某些生物大分子的结构和生物特性变化。

柱温对CE分离参数和电泳行为的影响是不容忽视的。

无论是为了有效地散失毛细管内产生的焦耳热，或是为了保持毛细管内各处温度均匀、恒定，以减小热效应引起区带增宽，提高分离效率和重现性，分离毛细管的柱温控制都是非常必要的。

特别是当外加电压超过15KV时，冷却就更有必要了。

第三节　毛细管电泳中影响柱效率的因素

由于在高效毛细管电泳中，没有固定相，消除了来自涡流扩散和固定相的传质阻力，而且很细的管径，也使流动相传质阻力降至次要地位。

因此纵向分子扩散成了制约提高柱效的主要因素。

t=l/υeo=l/μeoE　　E＝V/L

这是在理想情况下导出的，仅考虑了纵向扩散的影响。

在实际电泳过程中，除了溶质的纵向扩散外还存在着很多引起峰加宽的因素。

研究发现，在高效毛细管电泳中引起峰加宽的因素除了纵向扩散外还有焦耳热引起的温度梯度。

进样塞长度、溶质与毛细管壁间的吸附作用，溶质与缓冲溶液间的电导不匹配引起的电分散等等。

（1）由进样引起的峰加宽。

毛细管电泳能够允许的体积很小，一般为10－50nL，塞长小于1%L。

（2）焦尔热和温度梯度引起的峰加宽。

研究表明，温度每变化1K将引起背景电解质溶液粘度变化2－3%，毛细管内的温度梯度导致背景电解质溶液的径向粘度梯度，使迁移速度不均匀。

（3）由纵向扩散引起的峰加宽。

对球形大分子，扩散系数与分子量的立方根成反比。

大分子比小分子的扩散系数小，可获得更高的分离效率。

（4）溶质与壁的相互作用—吸附效应。

溶质与管壁的相互作用主要表现为管壁对溶质的吸附。

大多数蛋白质（约75％）的pI＞4，在通常操作的缓冲溶液pH下带正电，因此，管壁对蛋白质的吸附成为CE分离中的一个突出问题。

由于吸附，使区带增宽，导致峰拖尾或变形，甚至消失。

（5）电分散。

电分散起源于样品塞与操作缓冲溶液间电场强度的差异，即样品区带中的缓冲溶液浓度（或电阻率）与毛细管其它地方的浓度（或电阻率）不同时，就导致样品塞与毛细管其它地方电场强度不等，由此产生电场强度差异，引起区带电分散，使区带增宽、变形。

（6）检测器

（7）其它增宽因素——由层流引起的扩散增强效。

如果毛细管中因某种原因产生压力差，就会出现层流。

层流属抛物线流型。

毛细管内一旦产生层流，将引起扩散增强，使区带增宽。

如毛细管两端液面高度差诱导的层流效应。

第四节胶束电动毛细管色谱

一、原理

用普通的毛细管电泳方法无法分离中性分子，因为它们只随电渗流而迁移，其迁移速率与电流迁移速率相同。

胶束电动毛细管色谱（micellarelectrokineticcapillarychromatography,MEKC）,既可以分离离子，更重要的是可以分离中性分子。

将一种离子表面活性剂，如十二烷基磺酸钠加入到毛细管电泳的缓冲溶液中，当表面活性剂分子的浓度超过临界胶束浓度（即形成胶束的最低浓度）时，它们就会聚集形成具有三维结构的胶束。

所形成的胶束有这样的特点，疏水尾基都指向中心，而带电荷的首基则指向表面。

由十二烷基磺酸钠形成的胶束是一种阴离子胶束，它必然向阳极迁移，而强大的电渗流使缓冲液向阴极迁移。

由于电渗流速度高于以相反方向迁移的胶束迁移率，从而形成了快速移动的缓冲液水相和慢速移动的胶束相，后者相对前者来说，移动极慢，或视作“不移动”，因此把胶束相称为“准固定相”。

当被分析的中性化合物从毛细管一端注入后，就在水相与胶束相两相之间迅速建立分配平衡，一部分分子与胶束结合，随胶束相慢慢迁移，而另一部分则随电渗流迅速迁移。

由于不同的中性分子在水相与胶束相之间的分配系数有差异，经过一定距离的差速移行后便得到分离（图9-5）。

出峰的次序一般决定于被分析物的疏水性。

越是疏水物质，与胶束中心的尾基作用越强，迁移时间越长；

反之，越是亲水物质，迁移时间越短。

若不同的离子与胶束的带电荷首基之间的作用强弱不同，从而使不同离子的分离选择性也可以提高。

样品（阳离子、阴离子和中性分子）都在阳极端注入。

由于中性分子的迁移时间（tR）介于电渗流迁移时间（to）与胶束迁移时间（tmc）之间，其分配比可表示为：

（9.6）

当胶束相移动速度趋近于零时，tmc趋向无穷大，则式（9.6）与式（6.16）相同。

to可以通过注入与胶束不作用的物质，如丙酮、甲酰胺等来测得。

使用全部溶于胶束的物质，如亲脂染料来测定tmc。

在胶束电动色谱中，被分离的物质对分离度的表示，类似于式（6.32）。

（9.7）

式中最后一项说明了胶束电动色谱不同于高效液相色谱之处，是此方法特征的替现。

当胶束相的移动速度趋近于零时，最后一项趋近于1，则式（9.7）变成式（6.32）。

与在高效毛细管电泳中一样，外加电压越高，理论塔板数越大，但过高的电压，使温度上升，反而不利分离。

合适的k′值应为

，此时分离度最大。

一般，k′在1-5之间为佳，它可以通过改变准固定相的浓度来达到。

迁移时间比越小，分离度越大。

对大多数离子胶束而言，在中性或碱性条件下，

范围在0.2-0.4之间。

通过电渗流速度的减小，加入有机溶剂以及减小pH，都可以使值减小，但分析时间延长。

α值的改变，可以通过选择准固定相的类型、缓冲液的性质（特别是含有不同手性选择剂的缓冲液）以及添加剂等来改变。

9.5.2常用表面活性剂

在胶束电动毛细管色谱法中，影响分离的变数更多，如在缓冲液中加入不同的阴、阳离子和两性离子，加入不同有机溶剂，以及加入不同表面活性剂，从而改变被分析物在两相之间的分配系数。

其中尤以表面活性剂的影响最大。

不同类型的活性剂强烈影响分离体系的选择性。

3.高分子质量表面活性剂

大多数表面活性剂在形成分子聚集体时。

都有一个临界胶束浓度和聚集数目的问题。

由于高分子质量表面活性剂的结构特殊（图9-7），它能与一种分子形成。

胶束与低分子量表面活性剂相比，刚性和稳定性好，分子尺寸可以调控，临界胶束浓度基本为零，因此与温度、缓冲剂浓度和添加剂性质等无关。

有机溶剂浓较高时不会破坏胶束。

若在制备聚合表面活性剂时，引入含手性中心的基团，则可用来分离对映体。

应用

由于毛细管电泳的分离模式多样化，毛细管内壁的修饰方法及流动的缓冲液中的添加剂的不同，以及新检测技术的发展，使毛细管电泳的应用非常广泛。

将各种高效液相色谱的柱制备技术移植到毛细管电泳中，就产生了毛细管电色谱。

它可用来分离、检测土壤及水等环境的多环芳烃；

分离多种阴离子和阳离子；

获得不同价态或形态的无机离子的信息。

毛细管电泳的另一个重要应用是在药物及临床方面，已成为研究的不可缺少的手段。

它可用于几百种药物中主要成分、所含杂质的定性及定量分析。

在临床诊断中，可用于检测药物及其在体内的代谢过程的研究。

在生命科学中，毛细管电泳技术更显出它的优越性，因而应用更广。

它可用来测定DNA的各种形式及DNA序列。

用毛细管胶束电动色谱可以分离碱基、核苷酸等。

毛细管电泳在生物大分子蛋白和肽的研究中应用十分广泛。

它可用来检测纯度，如可以检测出多肽链上的单个氨基酸的差异；

若与质谱联用，可以推断蛋白质的分子结构。

采用最新技术，基至可以检测单细胞、单分子，如监测钠离子和钾离子在胚胎组织膜内外的传送。

单细胞的检测为在分子水平上研究细胞的行为提供了极为重要的工具，而单分子的检测为在单分子水平上开展动力学研究展示了广阔的前景。

由于目前有多种手性选择剂可以使用，因此具有高分离能力的毛细管电泳在手性分离中极为重要。

将合适的手性选择剂加入缓冲剂中，其分