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(qū)動力，以毛細管為分離通道，依據(jù)試樣中各組分間淌度和分配行為上的差異而實現(xiàn)分

離的一種分離技術(shù)。

圖1 毛細管電泳簡易裝置

二、毛細管電泳的專業(yè)術(shù)語：

1）電泳：在電解質(zhì)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(xiàn)象叫電泳。

2）電滲：在充滿電解質(zhì)溶液的毛細管柱中，柱內(nèi)層氧化硅與溶質(zhì)的界面上形成雙電層。當(dāng)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(xiàn)象叫電滲。

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

圖2 毛細管雙電層與電滲流示意

粒子在電解質(zhì)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(xiàn)分離。

三、毛細管電泳發(fā)展的發(fā)展歷程^[1]：

1808年俄羅斯物理學(xué)家Von Reuss^［2］發(fā)現(xiàn)電泳現(xiàn)象。

1867 年, Hjerten 采用內(nèi)徑3mm 的石英管, 內(nèi)涂甲基纖維素, 在旋轉(zhuǎn)下分離,紫外檢測, 實現(xiàn)了自由區(qū)帶電泳, 這是毛細管分析實踐的初嘗試。

1981年Jorgenson和Lukacs^［3－4］發(fā)表現(xiàn)代CE技術(shù)的里程碑性的成就，分離丹酰化

氨基酸，標(biāo)志著毛細管電泳分析方法的建立，標(biāo)志著CE的誕生，即毛細管區(qū)帶電泳（CZE）分離模式。他們使用內(nèi)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(shù)的分離柱效，他們設(shè)計出了結(jié)構(gòu)簡單的CE裝置，也從理論上推導(dǎo)出了毛細管區(qū)帶電泳(CZE)分離的效率公式。

圖3 毛細管區(qū)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(shù)，標(biāo)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(zhì)成功地分離了中性化合物，開創(chuàng)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(gòu)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(shù)(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(fā)展了毛細管電色譜技術(shù)(CEC)。

1994年Yan等人^[10-12]在加壓洗脫電色譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一臺商用加壓毛細管電色譜（pCEC）儀器，該系統(tǒng)由微流控系統(tǒng)、溶劑輸送系統(tǒng)、柱上紫外/可見光檢測器、高壓電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。系統(tǒng)有電滲流驅(qū)動和壓力流驅(qū)動兩種相結(jié)合，和CEC相比，其分離能力和應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)電解質(zhì)的淌度大于試樣中所有負離子的。所有試樣都按前導(dǎo)離子的速度等速向陽極前進，逐漸形成各自獨立的區(qū)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(yīng)用：

表1 毛細管電泳的分離模式與應(yīng)用^[14-15]

五、毛細管電泳的未來普及應(yīng)用展望：

自20世紀(jì)80年代誕生以來，HPCE技術(shù)在理論與應(yīng)用方面，都得到了飛速的發(fā)展。其作為一種經(jīng)典電泳技術(shù)與現(xiàn)代毛細管微柱相結(jié)合的新興分離技術(shù)，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(yōu)點使得HPCE成為近年來分離科學(xué)的研究核心。今天，HPCE技術(shù)已逐漸成熟，在分析化學(xué)、生物化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、有機化學(xué)、天然產(chǎn)物化學(xué)和藥物化學(xué)、材料化學(xué)、臨床化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。HPCE技術(shù)作為一種強有力的分離分析手段，已成功地應(yīng)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(shù)還是測定物化參數(shù)的重要手段。也形成了許多HPCE技術(shù)的原理和應(yīng)用相關(guān)的許多專著和綜述論述。

推廣與普及HPCE技術(shù)，使其發(fā)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(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yè)。現(xiàn)如今HPLC技術(shù)與應(yīng)用已是非常成熟，此外在儀器精度、重現(xiàn)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(shè)計不恰當(dāng)、操作不方便、結(jié)果不能重現(xiàn)，缺乏專業(yè)的人員及操作規(guī)范。HPLC在實際應(yīng)用中的重現(xiàn)困難，還需要專業(yè)的人員進行相關(guān)的培訓(xùn)，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：

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文章來源：微信公眾號 實驗室分析儀器

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