高效毛细管电泳

1、第十章 高效毛细管电泳法 电泳是溶液中带电粒子在电场力作用下，以不同的速度向电荷相反方向迁移的现象。利用这种现象对化学和生物化学组分进行分离分析的方法称之为电泳法。传统电泳最大的局限性是难以克服由两端的高电压所引起的电介质离子流的自热，或称焦耳热, 从而导致区带展宽，影响迁移，降低效率, 因此极大地限制了高压的使用.当然也就难以加快整个过程的速度。 1 毛细管电泳（ capi1lary electrphoresis，CE）和传统电泳的根本区别在于前者设法使电泳过程在散热效率极高的毛细管内进行，从而确保引入高的电场强度，全面改善分离质量。 20世纪3040年代 蒂塞利乌斯(A.W.K.Tisel

2、ius）建立了移动界面电泳，将电泳发展成分离技术 获得1948年诺贝尔化学奖2l967年Hjerten最先提出在高电场强度，直径为3mm的毛细管中作自由溶液的毛细管区带电泳，开创了CE的先河。1981年，J.W.Jorgenson,K.D.Lukacs实验上和理论上为毛细管电泳的发展奠定了基础。198889年，商品化的毛细管电泳仪推出，毛细管电泳法迅速发展起来。 第一节 毛细管电泳的特点和分类一、电泳和色谱1.分离原理3 电泳是溶液中带电粒子在电场力作用下发生定向运动，因粒子所带电荷数、形状、大小等不同，导致不同的迁移速度而分离。色谱是不同组分在流动相的推动下，由于在固定相流动相中的分配系数不

3、同，导致不同的迁移速度而分离。但某些毛细管电泳的分离模式也包含了色谱的分离机制。2.分离过程 电泳和色谱的分离过程都是差速迁移过程，可用相同的理论来描述。色谱中所用的一些名词概念和基本理论，如保留值、塔板理论、速率理论等均可借用于毛细管电泳中。43.仪器流程5二、毛细管电泳的特点1. 柱效高 高效毛细管电泳的柱效远高于高效液相色谱，理论塔板数高达几十万块/米，特殊柱子可以达到数百万。色谱仪和电泳仪（HPLC和CE），都包括进样部分、分离柱、检测器和数据处理等。2.消耗低 CE所需样品为nl级, 流动相用量也只需几毫升, 而HPLC所需样品为l级, 流动相则需几百毫升乃至更多。63.速度快一般几

4、十秒至十几分，最多半小时，即可完成一个试样的分析。4.应用广泛 通过改变操作模式和缓冲液的成分，CE有很大的选择性，可以根据不同的分子性质，对极广泛的对象进行有效的分离。 CE分离有机分子、药物分子，特别是手性分子和生物大分子方面的能力，对HPLC地位提出了严峻的挑战。 7三、毛细管电泳的分类按分离模式分类，常用的技术有六种：毛细管区带电泳，胶束电动毛细管色谱，毛细管凝胶电泳，毛细管等电聚焦，毛细管等速电泳 ，毛细管电色谱 毛细管区带电泳是CE中最基本、应用最普遍的一种模式。第二节 基本原理一、电泳和电泳淌度1. 电泳与电泳速度8 在一定电场强度作用下，溶质带电粒子在溶液中的定向移动（迁移），

5、这种现象称为电泳。带电粒子在电场中迁移时，所受的电场力为q: 溶质离子所带的有效电荷 E: 电场强度带电粒子在溶液中运动时受到的阻力即摩擦力为是电泳速度9 f为摩擦系数，其大小与带电粒子的大小、形状以及介质粘度有关。对于球形离子，f = 6；对于棒状离子，f = 4。式中，是溶质离子的动力学半径，是电泳介质的粘度。平衡时，电场力和摩擦力相等，即qE = fvep 电泳速度为10不同物质在同一电场中，由于它们的有效电荷、形状大小的差异，它们的电泳速度不同，所以可能实现分离 我们把溶质在给定溶液中和单位电场强度下的电泳速度称为电泳淌度，用ep表示。2电泳淌度 11所以淌度不同是电泳分离的内因和前提

6、。溶质粒子的电泳速度决定于粒子淌度和电场强度的乘积，vep epE在一定条件下，不同粒子的形状、大小以及所带电量都可能有差别，则电泳淌度也可能不同。（1）绝对淌度（ab） 是在无限稀释时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。12（2）有效淌度（ef） 我们不可能在无限稀释而又没有其它离子、酸度等影响下进行工作，有效淌度是实际的离子电泳淌度。（3）表观淌度（ap） 在有电渗存在下，测得的实际离子淌度称为表观淌度或净淌度，是有效淌度ef和电渗淌度os的矢量和。ap=osef13二、电渗和电渗流1电渗现象 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，

7、则因静电引力使其周围液体带相反电荷，当液体两端施加一定电压时，就会发生液体相对于固体表面的移动，这种现象叫做电渗。14 高效毛细管电泳大多使用石英毛细管，在内充缓冲液PH2时，管壁的硅醇基（SiOH）离解成硅醇基阴离子（SiO），使管壁带负电荷，溶液带正电荷，在管壁和溶液之间形成双电层。Zeta电位15 由于溶液中的阳离子实际上是溶剂化的，在外电场的作用下，溶剂化的阳离子向负极移动，将引起柱中的溶液整体向负极移动，这就是毛细管电泳中的电渗现象。2。电渗流（electroosmotic flow，EOF） 电渗现象中整体移动着的液体叫电渗流。163. 电渗流的大小和方向电渗流的大小用电渗流速度v

8、os表示，其大小决定于电渗淌度os和电场强度E。即 、分别是电泳介质的介电常数和粘度, 毛细管壁的Zeta电位，它近似等于扩散层与紧密层界面上的电位。该界面内净电荷数（正电荷数）越多、扩散层越厚，Zeta电位越大.17 Lef毛细管有效长度； tos电渗流标记物（中性物质）的迁移时间。电渗流的速度是电泳速度的57倍。 一般情况下，石英毛细管内壁表面带负电荷，则电渗流带正电荷，向负极移动。但如果将毛细管内壁改性，比如在在内壁表面涂渍或键合一层阳离子表面活性剂，将使壁表面带正电荷，则电渗流带负电荷，向正极移动。VOS可通过实验测定18 在外电场驱动下产生的电渗流为平流，即塞式流形。液体流动速度除在

9、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形完全不同。4.电渗流的流形19 HPLC流动相的流形为抛物线形的层流，在管壁处的速度为零，管中心的速度是平均速度的2倍，引起的谱峰展宽较大。电渗流呈平流，引起的谱峰展宽很小，是毛细管电泳能获得较HPLC更高分离效率的重要原因。4. 电渗流的作用 电渗流通常流向负极，电渗流速度约等于一般离子电泳速度的57倍。所以，各种电性物质在毛细管中的迁移速度为两种速度的矢量和，称为表观电泳速度，用vap表示。2021阳离子： vapvos+vef阴离子： vapvosvef中性分子： vapvos 当把试样从阳极

10、端注入到毛细管内时，不同电性的粒子将按不同的速度向负极迁移，从负极端先后流出毛细管。出峰次序是： 阳离子中性分子阴离子中性分子与电渗流速度相同，不能互相分离。vap=apE=(osef)E22电渗流具有像HPLC中泵一样的作用，推动离子前进，加上不同离子电泳速度和方向的差异，完成阳离子、阴离子和中性离子的分离。改变电渗流的大小和方向，可以改变分离效率和选择性。这是HPCE中优化分离的重要因素。电渗流在HPCE 的分离中起着极其重要的作用：电渗流的微小变化影响分离结果的重现性（迁移时间和峰面积） 。电泳中影响电渗流的因素很多，应设法控制电渗流的恒定。23三、HPCE中影响电渗流的因素1.电场强度

11、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 酸度影响毛细管的表面Si-OH基的电离，特别是在pH47范围内，影响更显著，此时溶液pH值与EOF成近线性关系 243. 电解质溶液性质的影响（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； pH3，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）缓冲液阴离子的影响 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。 25缓冲溶液离子强度

12、，影响双电层的厚度、溶液粘度和工作电流，明显影响电渗流大小。缓冲溶液浓度增加，离子强度增加，电渗流下降。（3）缓冲液浓度（离子强度）的影响26274. 温度的影响 毛细管内温度的升高，使溶液的粘度下降，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； HPCE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度，将引起背景电解质溶液粘度变化2%3%；285. 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，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 某些阳离子表面活性剂使电渗流减小，某些阴离子表面

13、活性剂，如十二烷基硫酸钠（SDS），可以使壁表面负电荷增加，电渗流增大（3）加入有机溶剂如甲醇、乙腈，使溶液的粘度减小，电渗流增大。2930四、柱效和分离度（一）理论塔板数和塔板高度用理论塔板数n和塔板高度H表示柱效。n可以直接由电泳图求出tm为起点到谱峰最高点所对应的时间，称为迁移时间。因为毛细管中，没有固定相，不存在组分在固定相中分配和保留。31塔板高度H为：Lef为进样口到检测器的距离, 为有效柱长.检测器在柱上，Lef电泳,阴离子在负极最后流出。CZE是最基本、应用最广的分离模式51（二）分离条件的选择1缓冲液 电泳过程在缓冲液中进行，缓冲液的选择直接影响粒子的迁移和最后的分离.缓冲液

14、的选择通常须遵循下述要求： （l）在所选择的pH范围内有很好的缓冲容量； （2）在检测波长处无吸收或吸收值低； （3）为了达到有效的进样和合适的电泳淌度，缓冲液的pH值至少必须比被分析物质的等电点相差l个pH单位。 52(5)只要条件允许就尽可能采用酸性缓冲液，在低pH值下，吸附和电渗流都很小，毛细管涂层的寿命较长。在配制毛细管电泳用的缓冲液时，必须使用高纯蒸馏水和试剂，另外用前要用0.45m的滤器过滤以除去颗粒等。（4）自身的淌度低，即分子大而荷电小，以减少电流的产生 53名 称pKa名 称pKa磷酸柠檬酸 甲酸盐2-羟基异丁酸琥珀酸盐 谷氨酸乙酸盐2-N-吗啉乙磺酸N-2-乙酰氨基-2-亚

15、氨基双乙酸L,3-双三（羟甲基）甲氨基丙烷哌嗪-N,N-双乙磺酸 2-（2-氨基-2-氧代乙基）氨基乙磺酸3-N-吗咪-2-羟基丙磺酸咪唑3-N-吗啉-丙磺酸2.l23.063.753.974.l94.324.756.156.606.806.806.906.907.007.20.N-三羟甲基甲基-2-氨基乙磺酸N-2-羟乙基哌嗪-N-2-乙磺酸N-2-羟乙基哌嗪-N-2-羟丙磺酸N-（2-羟甲基）乙基甘氨酸甘氨酰胺，盐酸化物N-甘氨酰甘氨酸三（羟甲基）氯基甲烷N,N-双2-羟乙基甘氨酸吗啉硼酸盐2-N-环己氨基乙磺酸3（3-胆酰胺丙基）-二甲基铵- 2-羟基-1-丙磺酸内盐3-环己氨基-1-丙

16、磺酸7.507.558.008.158.208.258.308.358.499.249.509.6010.40 一些常用缓冲溶液及其pKa值542添加剂 在CZE分离中，常常还在缓冲溶液中添加某种试剂，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。 常用添加剂有表面活性剂、有机溶剂、中性盐类、两性物质和手性选择剂等， 3工作电压 电压是控制柱效n、分离度Rs和迁移时间tm的重要因素。在焦耳热可以忽略的条件下，外加电压增大，分离时间缩短、柱效和分离度提高.55但电压升高，产生的焦耳热增多，在不能有效地驱散所产生的焦耳热情况下，柱

17、温显著升高，工作电流增大，柱效和分离度降低。除了采取有效的散热措施外，选择一种合适的条件，使在此条件下允许使用较高电压，而不致产生过高的电流和过多的焦耳热，是非常重要的。 一般通过作IV曲线来选择体系的最佳外加电压值。565758二、胶束电动毛细管色谱（MECC或MEKC） 胶束电动毛细管色谱是在缓冲溶液中加入浓度高于胶束临界浓度的表面活性剂，胶束相在分离中起到了准固定相的作用，是电泳技术与色谱技术的结合。 把离子型表面活性剂 (如十二烷基硫酸钠)加到缓冲液中, 当其浓度超过临界浓度后就形成有一疏水内核、外部带负电的胶束。虽然胶束带负电, 但电渗流的速度仍大于胶束的迁移速度, 故胶束将慢速向负

18、极移动。（一）分离原理 5960 中性粒子按其疏水性不同，在缓冲溶液（流动相）和胶束（准固定相）之间分配。疏水性强、亲水性弱的粒子分配到胶束中的多，分配到缓冲溶液中的少；反之，亲水性强、疏水性弱的溶质分配到胶束中的少，分配到缓冲溶液中的多。当溶质进入胶束时，以胶束的速度慢速迁移；溶质进入缓冲溶液时，以电渗的速度快速前移。分配系数越大的粒子，在柱中迁移速度慢，从而使疏水性稍有差别的中性物质在电泳中得以分离。61 MECC的突出优点是除能分离离子化合物外，还能分离不带电荷的中性化合物。（二）分离条件的选择 胶束准固定相对MECC分离过程起着重要作用。 准固定相为各类表面活性剂，对其要求是： 胶束的粘度小；水溶性好形成的胶束必须均匀、透明，不吸收UV光 临界胶束浓度CMC不宜太高胶束具有足够的稳定性62类 型表面活性剂CMC（10-3mol/L） 阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）8.1十四烷基硫酸钠