电化学分离技术

电化学分离方法2024/10/20电泳分离法在电场作用下，电解质溶液中带电粒子向两极作定向移动的一种电迁移现象。电泳分离的依据是不同带电粒子迁移率的差别。与电迁移所不同的是，电泳通常需要一种多孔材料作电解质的支持体，以消除电解质的非定向运动所引起的电泳带变宽，便于取样测定，或获得分离后的组分。影响电泳的主要因素：带电粒子迁移率、电解质溶液的组成、外加电位梯度、电泳时间等。

2024/10/20一、高效毛细管电泳基本原理

在电解质溶液中，位于电场中的带电离子在电场力的作用下，以不同的速度向其所带电荷相反的电极方向迁移的现象，称之为电泳。由于不同离子所带电荷及性质的不同，迁移速率不同可实现分离。1.经典电泳分离法的不足所用分离柱的柱径大，柱较短，分离效率不高（远低于HPLC），温度影响大。高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进。2024/10/202.高效毛细管电泳技术上的重要突破高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进：一是采用了0.05mm内径的毛细管,；二是采用了高达数千伏的电压。毛细管的采用使产生的热量能够较快散发，大大减小了温度效应，使电场电压可以很高。电压升高，电场推动力大，又可进一步使柱径变小，柱长增加，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。2024/10/203.电泳现象与电渗流现象

电泳现象：带电离子在电场作用下的迁移，速度ν电泳2024/10/20电渗流现象

当固体与液体接触时，固体表面由于某种原因带一种电荷，则因静电引力使其周围液体带有相反电荷，在液-固界面形成双电层，二者之间存在电位差。

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，这种液体相对于固体表面的移动的现象叫电渗现象。

电渗现象中整体移动着的液体叫电渗流（electroosmoticflow，简称EOF）。

2024/10/202.HPCE中的电渗现象与电渗流

石英毛细管柱，内充液pH>3时，表面电离成-SiO-,管内壁带负电荷，形成双电层。

在高电场的作用下，带正电荷的溶液表面及扩散层向阴极移动，由于这些阳离子实际上是溶剂化的，故将引起柱中的溶液整体向负极移动，速度ν电渗流。2024/10/20HPCE中电渗流的方向

电渗流的方向取决于毛细管内表面电荷的性质：内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极；内表面带正负电荷，溶液带负电荷，电渗流流向阳极；石英毛细管；带负电荷，电渗流流向阴极；改变电渗流方向的方法：

（1）毛细管改性表面键合阳离子基团；

（2）加电渗流反转剂内充液中加入大量的阳离子表面活性剂，将使石英毛细管壁带正电荷，溶液表面带负电荷。电渗流流向阳极。2024/10/204.分离过程

电场作用下，柱中出现：电泳现象和电渗流现象。带电粒子的迁移速度=电泳和电渗流两种速度的矢量和。正离子：两种效应的运动方向一致，在负极最先流出；中性粒子无电泳现象，受电渗流影响，在阳离子后流出；阴离子：两种效应的运动方向相反，ν电渗流>ν电泳时,阴离子在负极最后流出,在这种情况下,不但可以按类分离,除中性粒子外,同种类离子由于受到的电场力大小不一样也同时被相互分离。2024/10/205.分离类型(1)

毛细管区带电泳（CZE）

最普遍、最基本的一种分离模式。(2)毛细管凝胶电泳（CGE）

将聚丙烯酰胺在毛细管柱内交联生成凝胶。其具有多孔性，类似分子筛的作用，试样分子按大小分离。能够有效减小组分扩散，所得峰型尖锐，分离效率高。可分离测定蛋白质、DNA等。2024/10/20(3)毛细管胶束电动色谱（MECC）

在缓冲溶液中加入离子型表面活性剂，形成一疏水内核、外部带负电的胶束。在电场力的作用下，胶束在柱中移动。由于电泳流和电渗流的方向相反，且ν电渗流>ν电泳，则带负电的胶束以较慢的速度向负极方向移动，中性试样分子在胶束相和溶液（水相）两相间分配，疏水性强的组分与胶束结合的较牢，流出时间长。可用来分离中性物质，扩展了高效毛细管电泳的应用范围。2024/10/20二、仪器流程与主要部件

processandmainassembly

电压：0～30kV；

分离柱不涂敷任何固定液；紫外或激光诱导荧光检测器；（可检测到：10-19～10-21

mol/L）2024/10/201.高压电源（1）0～30

kV稳定、连续可调的直流电源；（2）具有恒压、恒流、恒功率输出；（3）电场强度程序控制系统；（4）电压稳定性：0.1%；（5）电源极性易转换；2.毛细管柱

（1）材料：石英：各项性能好；玻璃：光学、机械性能差；（2）规格：内径20～75μm，外径350～400μm；长度<=1m2024/10/203.缓冲液池

化学惰性，机械稳定性好；4.检测器

要求：具有极高灵敏度，可柱端检测；检测器、数据采集与计算机数据处理一体化；

类型检测限/mol特点紫外-可见10-13～10-15加二极管阵列，光谱信息荧光10-15～10-17灵敏度高，样品需衍生激光诱导荧光10-18～10-20灵敏度极高，样品需衍生电导10-18～10-19离子灵敏，需专用的装置；2024/10/20高效毛细管电泳仪器（1）2024/10/20高效毛细管电泳仪器（2）2024/10/20高效毛细管电泳仪器（3）2024/10/20三、影响柱效的因素及改进方法热效应：焦耳热仍是影响柱效的主要因素。采用外部冷却的方法散热，择合适的电压和电解质也是提高柱效的有效途径。选择合适的电解质降低电阻，电流低于200微安，一般几十微安。电渗流控制：电渗流的大小和方向依赖于毛细管壁与溶液间电势的极性和大小。使用添加剂可以改变电渗流的大小和方向，如添加NaCl和甲醇可降低电渗流；加入乙腈则可以增大电渗流。加入反转剂。则可以改变电渗流的方向。2024/10/20四、主要特点和应用高分辨率：理论塔板数高达数百万块，甚至数千万块。高灵敏度：可检测出低至10-21

mol/L浓度的物质。高分析速度：可在3分钟内分离30种阴离子；1.7分钟分离19种阳离子;4分钟可分离10种蛋白质.试样用量少：仅需几nL（10-9L）的试样仪器简单，操作成本低：分析一个试样仅需几毫升流动液。不足之处：进样不够方便。应用范围相对较窄。分析阴离子时，由阴极进样，在阳极检测。但电渗流方向与阴离子受电场力作用移动方向相反，出峰时间较长。2024/10/20电渗析分离法渗析过程：以浓度差使溶质透过膜而分离的过程。速率低，适用于引用外力有困难或自身有足够浓度的物质的分离，也适用少量物料处理，典型用途是血液透析。电渗析（electrodialysis）分离：离子在电场作用下迁移和离子交换技术结合的一种分离方法。

（电迁移＋离子交换）2024/10/20电渗析分离装置示意图

分离过程：当阴阳电极上加上电压时，料液池中阳离子通过阳离子交换膜迁移到阴极池中；阴离子通过阴离子交换膜迁移到阳极池中；料液中的沉淀颗粒、胶体、非离子性物质不能通过（阴或阳）离子交换膜，留在料液中。I：阳极池；II：料液池；III：阴极池。A：阴离子交换膜，常压下不透水，只允许阴离子通过；C：阳离子交换膜，只允许阳离子通过。2024/10/20++++++阳极－－－－－－Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阳膜电渗析过程原理图阴膜阴膜阴极2024/10/20

离子交换膜的选择透过性源于膜上孔隙和膜上离子基团。膜上孔隙的作用：离子通过膜的大门和通道。膜上离子基团的作用：在水溶液中，膜上的离子交换基因会解离，在膜上就留下带正或负电荷的固定基团。这些存在于膜微孔中的荷电基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子。离子交换膜的选择透过性因此，这里的离子交换膜的作用不是离子交换，而是离子选择性通过。2024/10/20离子交换膜功能示意图2024/10/20电渗析法的应用电渗析是膜分离过程中较为成熟的一项