毛細管電泳的前世今生

毛細管電泳的前世今生

一、毛細管電泳的原理簡介：

毛細管電泳（High Perfect Capillary Electrophoresis），又稱“毛細管電泳 (HPCE)”，指以高壓電場為驅動力，以毛細管為分離通道，依據試樣中各組分間淌度和分配行為上的差異而實現分

離的一種分離技術。

圖1 毛細管電泳簡易裝置

二、毛細管電泳的專業術語：

1）電泳：在電解質溶液中，帶電粒子在電場作用下，以不同的速度向其所帶電荷相反方向遷移的現象叫電泳。

2）電滲：在充滿電解質溶液的毛細管柱中，柱內層氧化硅與溶質的界面上形成雙電層。當高電壓通過此含有緩沖溶液的毛細管柱時，而此時雙電層中的水合陽離子引起流體整體朝負極方向移動的現象叫電滲。

3）電滲流（EOF）：當高電壓通過含有緩沖溶液的毛細管柱時，管內的溶質向陰極或陽極移動，產生電滲流。在柱內層氧化硅與溶質的界面上形成雙電層是電滲流產生的原因。

圖2 毛細管雙電層與電滲流示意

粒子在電解質中的遷移速度等于電泳和電滲流(EOF)兩種速度的矢量和。

陽離子的移動方向和電滲流一致，會先流出；中性粒子的電泳流速度為“0”，其遷移速度等于電滲流速度；陰離子的移動方向和電滲流相反，但因電滲流速度一般都大于電泳速度，它將在中性粒子之后流出，從而實現分離。

三、毛細管電泳發展的發展歷程^[1]：

1808年俄羅斯物理學家Von Reuss^［2］發現電泳現象。

1867 年, Hjerten 采用內徑3mm 的石英管, 內涂甲基纖維素, 在旋轉下分離,紫外檢測, 實現了自由區帶電泳, 這是毛細管分析實踐的初嘗試。

1981年Jorgenson和Lukacs^［3－4］發表現代CE技術的里程碑性的成就，分離丹酰化

氨基酸，標志著毛細管電泳分析方法的建立，標志著CE的誕生，即毛細管區帶電泳（CZE）分離模式。他們使用內徑為75μm的石英毛細管柱，配合30kV的高電壓獲得了高于40萬理論塔板數的分離柱效，他們設計出了結構簡單的CE裝置，也從理論上推導出了毛細管區帶電泳(CZE)分離的效率公式。

圖3 毛細管區帶電泳示意

1983年Hjerten^［5］提出了在毛細管中填充聚丙烯酰胺凝膠的毛細管凝膠電泳(CGE)技術，標志著CGE分離模式的誕生。

1984年，Terabe^［6］在毛細管中使用含有表面活性劑十二烷基*(SDS) 的背景電解質成功地分離了中性化合物，開創了膠束電動毛細管色譜(MEKC)

圖4 毛細管膠束電動色譜示意

1984年,由Walbrohel^[7]等提出非水毛細管電泳,旨在解決強疏水性樣品在毛細管電泳中的分析分離問題,他們以乙腈為非水溶劑分離了幾何異構體喹啉和異喹啉,取得了不錯的效果。

1985年，Hjerten^［8］又報道了新的毛細管等電聚焦技術(CIEF)。

圖5 毛細管等電聚焦示意

1985年，Knox^［9］等利用超細的液相色譜的填料填充毛細管，發展了毛細管電色譜技術(CEC)。

1994年Yan等人^[10-12]在加壓洗脫電色譜系統的基礎上構建了一臺商用加壓毛細管電色譜（pCEC）儀器，該系統由微流控系統、溶劑輸送系統、柱上紫外/可見光檢測器、高壓電源和數據采集系統組成，系統結構如圖6。系統有電滲流驅動和壓力流驅動兩種相結合，和CEC相比，其分離能力和應用范圍都得到了很大的提高^[13]。

圖6 毛細管等電聚焦示意

毛細管等速電泳：將兩種淌度差別很大的緩沖液分別作為前導離子(充滿毛細管)和尾隨離子，試樣離子的淌度全部位于兩者之間，并以同一速度移動；負離子分析時，前導電解質的淌度大于試樣中所有負離子的。所有試樣都按前導離子的速度等速向陽極前進，逐漸形成各自獨立的區帶而分離。陰極進樣，陽極檢測。

圖7 毛細管等速電泳示意

四、毛細管電泳幾種分離模式的原理及應用：

表1 毛細管電泳的分離模式與應用^[14-15]

五、毛細管電泳的未來普及應用展望：

自20世紀80年代誕生以來，HPCE技術在理論與應用方面，都得到了飛速的發展。其作為一種經典電泳技術與現代毛細管微柱相結合的新興分離技術，由于其、快速、柱平衡快、低成本、操作模式多樣且易于切換等優點使得HPCE成為近年來分離科學的研究核心。今天，HPCE技術已逐漸成熟，在分析化學、生物化學、環境化學、有機化學、天然產物化學和藥物化學、材料化學、臨床化學等領域有著廣泛的應用。HPCE技術作為一種強有力的分離分析手段，已成功地應用于小分子、大分子、中性化合物和荷電化合物的分離。此外，HPCE 技術還是測定物化參數的重要手段。也形成了許多HPCE技術的原理和應用相關的許多專著和綜述論述。

推廣與普及HPCE技術，使其發揮越來越重要的作用，成為一種便捷的日常分析方法，還將取決于各種使用分析體系與工作條件的發展及標準化。目前，HPCE已被寫入美國、歐洲、中國等藥典中，成為一種重要的分離檢測手段。此外伴隨著生物制藥多肽、單克隆抗體以及核酸類藥物的崛起，毛細管電泳作為一種*的表征手段，必將隨著生物藥的興起而進入到一個重要的應用實踐階段，正式走入各大生物制藥實驗室及生物制藥企業。現如今HPLC技術與應用已是非常成熟，此外在儀器精度、重現性、可操性、自動化程度方面，也與HPLC、GC已相同。之所以未能像HPLC、GC一樣普及走進千家萬戶的檢測實驗室，主要原因是所用的工作條件或分離體系設計不恰當、操作不方便、結果不能重現，缺乏專業的人員及操作規范。HPLC在實際應用中的重現困難，還需要專業的人員進行相關的培訓，讓更多人全面理解和掌握毛細管電泳的特點，及時解決和排查實驗中的故障和困難，讓實驗更加輕松更加流暢與。

參考文獻：

[1]劉長付,陳媛梅,毛細管電泳的進展，廣州化工2011年 39 卷第17 期。

[2] F．Von Reuss．CommolLent Soc．Phys．Univ．Mosquensem，1808,1: 141．

[3] J．W．Jorgenson，K．D．Lukacs．Anal．Chem．，1981，53:1 298．

[4] J．W．Jorgenson，K．D．Lukacs．J．Chromatogr，1981，218:209．

[5] S．Hjerten．J．Chromatogr．，1983，270:1．

[6] S．Terabe，K．Otsuka，K．Ichikawa，et al．Anal Chem，1984，56:111．

[7]方紅,毛細管電泳的新進展,國外醫學分子生物學分冊2002年第24卷第2期.

[8] S．Hjerten，M．D．Zhu．J．Chromatogr．，1985，346:265．

[9] J．H．Knox，L．H．Grant．Chromatographia，1987，24:135．

[10]Yan C, Schaufelberger D, Erni F. Electrochromatography and micro

    high-performance liquid chromatography with320 μm ID packed columns[J].

    Journal of Chromatography A, 1994, 670(1):15-23.

[11]Chao Y. US Patent. 6569325. 2003.

[12]Yan C, Dadoo R, Zhao H, et al. Capillary electrochromatography: analysis of

    polycyclic aromatic hydrocarbons[J].Analytical Chemistry, 1995, 67(13):

    2026-2029.

[13]曹楓, 張維冰, 閻超, 等. 壓力對加壓電色譜分離選擇性影響的研究. 分析化學. 2004; 32(2): 143-7.

[14] 蔡培原,電泳技術研究進展及應用,生命科學儀器,2008第6 卷.

[15]孔毅,吳如金,藥學進展2000第24卷4期

文章來源：微信公眾號 實驗室分析儀器

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