第17章 高效毛细管电泳

第十七章高效毛细管电泳分析法高效毛细管电泳（highperformancecapillaryelectrophoresis，HPCE）是近年来发展起来的一种高效、快速的分离分析技术，是经典电泳技术和现代微柱分离相结合的产物。HPCE已成为一种重要的分离分析方法，在生物、医药、化工、环保、食品等领域具有广阔的应用前景。总的说来，HPCE具有如下优点：1.高灵敏度采用电化学检测器，最低检测限可达10-19mol；2.高效HPCE每米理论塔板数为几十万，高者可达几百万甚至几千万；3.高速通常的分析时间不超过30min。有1.7min内分离19种阳离子及3min内分离30种阴离子的报道；4.样品用量少只需nL（109L）级；5.低消耗每次分析只需少量（几毫升）流动相，分析过程是在价格低廉的毛细管柱中进行；6.应用范围广从简单的无机离子、有机离子到整个细胞，都可进行分离分析。具有“万能”分析功能或潜力；一、基本装置与原理HPCE是以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和（或）分配系数的不同而进行分离的一类新型液相分离技术。毛细管电泳一般由一个高压电源，一根毛细管，一个检测器及两个缓冲液贮液槽及数据记录系统组成，其仪器结构示意图如图

1234655图1毛细管电泳装置示意图1．高压电源2．检测器3．液冷温控毛细管4．数据记录系统5．缓冲液槽6．缓冲液1.基本装置HPCE的仪器结构比HPLC仪简单，有高压直流电源，进样装置，毛细管和检测器。前三个部件均易实现，但由于HPCE采用了极小内径的毛细管，进样量很小，因此只有具有高灵敏度的检测器，才能进行定性、定量分析。检测器是HPCE仪的关键部件。

HPCE检测器中应用较广泛的是紫外-可见检测器和电化学检测器。迄今为止，除了原子吸收光谱、电感耦合等离子体发射光谱（ICP）及红外光谱未用于HPCE外，荧光、电化学、质谱、激光类和其他类型检测器（如折射率检测器、同位素检测器等）均已应用。目前应用较多并且已经商品化的是光学检测器（紫外检测器和荧光检测器）和电化学检测器（电导和安培）。电化学检测器由于其灵敏度高、价廉、应用范围广，应用比较多。HPCE-MS联用提供了一种分离和鉴定相结合的强有力的技术，将成为最有发展前途的技术之一。

2．基本原理在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同速度向其所带电荷相反方向迁移的现象称为电泳。电渗流（electroosmoticflow，EOF）是指管内溶液在外力电场作用下整体向一个方向运动的现象。HPCE通常采用的是石英毛细管柱，一般情况下（pH＞3），硅醇基（—SiOH）电离为硅氧基负离子（—SiO），使管壁表面带负电，为了保持电荷平衡，溶液中水合离子（一般为阳离子）被吸附到表面附近，形成双电层。当在毛细管两端加高电压时，双电层中的阳离子向阴极移动，由于离子是溶剂化的，所以带动了毛细管中溶液整体向阴极移动，产生电渗流。在不少情况下，电渗流的速度是电泳流速度的5～7倍。溶液中同时存在泳流和渗流，在不考虑相互作用的前提下，粒子在毛细管内电解质中的运动速度应当是电泳流速度（）和电渗流速度（）的矢量和，即

式中，E为电场强度，µ为淌度。正离子的运动方向和电渗流一致，因此最先流出；中性粒子的电泳流速度为“零”，其移动速度相当于电渗流速度；而负离子的运动方向和电渗流方向相反，但因电渗流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出，各种粒子的分离情况见图

+-------------------------------------------图2毛细管分离示意图在HPCE中电渗流的一个重要特点是具有平面流型，电渗的驱动力沿毛细管均匀分布，它使整个流体象一个塞子一样以均匀的速度向前运动。而在HPLC中流体流型则是抛物线型的层流，其中心处速度是平均速度的2倍。电渗流的平面流型和HPLC中高压泵驱动所产生的抛物线型层流的速度曲线不同，不会直接引起样品组分区带在柱内扩张，这是HPCE获得高效分离的重要原因之一。HPCE是指所有在极细毛细管内进行的电泳新技术，它根据分离机理不同，具有多种分离模式，能够提供多方面的信息。HPCE常用的分离模式包括：

二、常用分离模式又称自由溶液毛细管电泳，是毛细管电泳中最基本、应用最广泛的一种分离模式。在毛细管中仅填充缓冲溶液，基于溶质组分的迁移时间或淌度的不同而分离。前述基本原理即为CZE的基本原理。

1．毛细管区带电泳（capillaryzoneelectrophoresis；CZE）

CZE的特点是操作简便、快速、分离效率高、应用范围广，从理论上讲适用于分离所有具有不同淌度的荷电粒子，分子量范围从十几的小分子离子到几十万的生物大分子。

胶束电动毛细管色谱又称电动色谱（EKC），是电泳技术和色谱技术巧妙结合的分离新技术，既能分离离子型物质，又可分离中性物质。

2．胶束电动毛细管色谱（micellarelectrokineticcapillarychromatography；MECC）

MECC是在电泳分离缓冲溶液中加入离子型表面活性剂并形成胶束，使电中性物质能根据其在胶束相和缓冲溶液相中的分配系数不同而进行分离。MECC的分离原理包括胶束增溶和电迁移两个过程。其分离介质包括两相，一相是带电的胶束（不固定于柱的准固定相），它具有与周围缓冲溶液（流动相）不同的电泳速度，并且与被分离溶质相互作用（胶束增溶过程）；另一相是缓冲溶液相，在电场作用下，以电渗流的方式整体向阴极流动（电迁移过程）。例如，在缓冲溶液中加入十二烷基硫酸钠形成胶束，因其表面带负电，电泳方向与电渗相反，向阳极泳动。在缓冲溶液pH＞5时，电渗流速度大于胶束电泳速度，所以胶束的实际移动方向和电渗流方向相同，都向阴极移动。电中性溶质基于色谱分配原理，在高压电场作用下移动的缓冲溶液相和胶束相之间进行分配，疏水性较强的溶质在胶束中的分配系数大，进入胶束中的溶质较多且较稳定，相对于疏水性较弱的溶质迁移慢。因此，中性溶质按其疏水性不同，在两相间的分配系数不同而得到分离。图为MECC的分离原理示意图。

○表示载体，表示溶质，→表示载体的电泳迁移，大空心箭头表示电渗流+）（图3电动色谱原理图CGE是80年代后期发展起来的毛细管电泳的主要分离模式之一，它将凝胶电泳对生物大分子的高效分离能力和毛细管电泳的快速、微量和定量分析相结合，成为当今分离度极高的一种电泳分离技术。

3．毛细管凝胶电泳（capillarygelelectrophoresis，CGE）

在CGE中，溶质的分离依赖于溶质的净电荷性质和分子大小两个因素。在毛细管中装入凝胶作支持物进行的电泳。凝胶具有多孔性的网络结构，对溶质具有分子筛的作用。当带电溶质在电场作用下通过凝胶的网络结构时，将会对不同大小的溶质分子产生不同的阻力，使溶质按分子大小逐一分离。尤其对那些荷质比不随分子大小而变的大分子如DNA等，没有凝胶的筛分作用就不能分离。而且凝胶的粘度大，可减少溶质的扩散，使被分离组分峰形尖锐，能达到CE中最高的柱效。

CGE的关键是毛细管凝胶柱的制备，常用聚丙烯酰胺在毛细管内交联制成凝胶柱，可分离分析蛋白质和DNA的分子量或碱基数，但制备麻烦，使用寿命短。若采用粘度低的线性聚合物，如甲基纤维素代替聚丙烯酰胺，可形成无凝胶但有筛分作用的无胶筛分（nongelsieving）介质。可避免空泡形成，比凝胶柱制备简单，寿命长，但分离效能较凝胶柱略差。

CGE在分子生物学和蛋白质化学上有着十分广阔的应用。在分子生物学上实现了包括寡聚核苷酸纯化、DNA测序和PCR产物的分析，在蛋白质化学方面用于多肽和蛋白质分子的分子量测定，原蛋白和结合蛋白的分离等。此外，CGE还可用于其它带电物质的分离，并可通过加入手性试剂、离子对试剂、络合试剂等添加剂改变分离的选择性。

CIEF即是在毛细管里进行的等电聚焦过程。由于毛细管本身的抗对流性质，CIEF可在自由溶液中进行，也可在凝胶中进行。CIEF集传统等电聚焦和毛细管电泳高效、快速、微量及柱上检测等的优点，在蛋白质、多肽的分离分析上有很好的应用前景。

4．毛细管等电聚焦（capillaryisoelectricfocusing；CIEF）

CIEF是根据蛋白质的等电点（pI）不同而进行分离的。基本原理是基于两性电介质在分离介质中的迁移造成的pH梯度，由此可以使蛋白质根据它们不同的等电点达到分离。采用两性电解质混合物作为载体电解质，当在毛细管两端加电压时，pI大于两性电解质混合物pH值的两性电解质带正电，向负极移动；pI小于两性电解质混合物pH值的两性电解质带负电，向正极移动；当它们移至pH=pI值区带时，净电荷为零，不再移动。因此不同等电点的两性电解质在电场中从阳极到阴极按pI值逐渐增加排序，形成稳定的pH梯度，梯度中每一处的pH，取决于该处两性电解质的pI值。同理，具有一定等电点的蛋白质顺着这一梯度迁移到相当于其等电点的那个位置，并在此停下，产生非常窄的聚焦带，并使不同等电点的蛋白聚焦在不同位置上。CIEF有极高的分辨率，通常可以分离等电点差异小于0