毛细管电泳_精品文档.ppt

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概述概述基本原理基本原理仪器结构仪器结构毛细管电泳与毛细管电泳与质谱联用技术质谱联用技术发展趋势发展趋势高效高效毛细管电泳毛细管电泳2022/11/12022/11/1概述传统的电泳作为一种分离技术,是根据在电场作用下,不同的溶质由于其不同的迁移速率,以不同的迁移速度向其所带电荷的相反方向移动,从而使得不同的溶质得以分离的方法.而毛细管电泳（CE）又称之为高效毛细管电泳（HPCE）,则是一类以毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力的新型液相分离分析技术，其迅速发展于二十世纪八十年代后期。

2022/11/12022/11/1CE实际上包含电泳、色谱及其相互交叉的内容，是分析科学中继高效液相色谱之后的又一重大进展，它使得分离分析科学从微升级水平进入到纳升级水平，并使得单细胞的分析，乃至单分子的分析成为可能。

与此同时，也使长期困扰我们的生物大分子如糖类、蛋白质等的分离分析，因为CE的产生和迅速发展而有了新的转机。

2022/11/12022/11/1毛细管电泳的特点1.高灵敏度高灵敏度紫外检测器的检测限可达紫外检测器的检测限可达10131015mol，激光诱导检测器可达激光诱导检测器可达10191021mol；2.高分离效能高分离效能每米理论塔板数可达几百万甚每米理论塔板数可达几百万甚至几千万；至几千万；三高二少一广三高二少一广2022/11/12022/11/13.高速度高速度通常的分析时间不超过通常的分析时间不超过30min。

有有1.7min内分离内分离19种阳离子及种阳离子及3min内分离内分离30种阴离子的报种阴离子的报道；道；4.样品用量少样品用量少只需纳升级的进样量；只需纳升级的进样量；5.分析成本低（消耗少）分析成本低（消耗少）只需少量（几毫升）流只需少量（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.应用范围广应用范围广可分离小分子（氨基酸、药物等）可分离小分子（氨基酸、药物等）、离子（无机及有机离子）、生物大分子（蛋白质等）、离子（无机及有机离子）、生物大分子（蛋白质等）、甚至各种颗粒（如细胞、硅胶颗粒等），具有、甚至各种颗粒（如细胞、硅胶颗粒等），具有“万万能能”分析功能或潜力。

分析功能或潜力。

2022/11/12022/11/1毛细管电泳的应用作为一项新型的分离技术，CE的多种分离模式给样品分离提供了不同的选择机会，这对分离来源复杂的生物样品尤其有利。

研究表明，小至无机离子，大到整个细胞，都有可能利用毛细管电泳技术进行分离分析。

CE从产生到现在，其应用首先集中在氨基酸，糖类，核酸和蛋白质等生物分子的分离分析上，但是，随着此项技术的不断发展和完善，其应用已逐渐的向医药卫生，食品化工，环境等领域渗透。

2022/11/12022/11/1目前，CE的研究热点包括：

DNA的高速测序，蛋白质的高效分离，糖类分析，细胞分析，手性拆分等等。

此外，毛细管电泳还可用于物理化学常数的测定，生产工程控制等。

2022/11/12022/11/1历史的简单回顾瑞典科学家Tiselius在1937年首先提出电泳，创造了Tiselius电泳仪，并建立了移动界面电泳方法。

1948年他获得了诺贝尔化学奖。

1981年，Jorgenson创立了毛细管电泳技术。

1988年美国Bio-Rad公司研制出第一台毛细管电泳仪HPE-100型。

1989年在Boston召开首届HPCE专题会议。

2022/11/12022/11/1毛细管电泳发展的历史相当悠久，其发展可以追溯到二十世纪六十年代中期，瑞典科学家Hjerten首先用内径为3mm的石英毛细管进行了电泳分离。

后来，Mikkers等首先从理论上研究了电场聚焦现象及其对分离区带扩展的影响，随后在实验上用200m内径的聚四氟乙烯管实现了高效电泳分离，这项研究成为CZE发展史上的第一个重大突破。

2022/11/12022/11/1从二十世纪八十年代初开始，Jorgenson等使用更细的毛细管及内径为75m的熔融石英管做CZE，在30kV电压下每米毛细管的效率高达4105的理论塔板数，这一开创性的成果成为毛细管电泳发展历史上的一个里程碑，从此，毛细管电泳技术开始了突飞猛进的发展。

2022/11/12022/11/1毛细管电泳技术的发展1.分离模式的发展分离模式的发展传统的电泳模式只能用于荷电离子的分离。

1984年，Terabe等在CE电解质溶液中加入离子表面活性剂，在溶液中形成离子胶束作假固定相，实现了中性离子的分离，这种模式称为胶束电动色谱（micellarelectrokineticchromatography，MEKC），此后，又相继发展了环糊精EKC，微乳胶EKC等，目前，MEKC已成为应用非常广泛的电泳模式之一。

2022/11/12022/11/11983年，Hjerten首先将聚丙烯酰胺凝胶毛细管用于CE分析，发展了毛细管凝胶电泳（capillaryelectrophoresis，CGE）。

CGE具有极高的分辨本领，可用于蛋白质碎片的分离及DNA序列的快速分析。

此后，随着毛细管电泳研究的深入，其它分离模式如毛细管等电聚焦（capillaryisoelectricfocusing，CIEF），毛细管等速电泳，毛细管电色谱（capillaryelectrochromatography，CEC）等分离模式不断引入，极大的拓宽了毛细管电泳技术的应用范围。

2022/11/12022/11/12.基础理论的深入研究基础理论的深入研究CE涉及许多基本的理论问题，如区带展宽，塔板高度，热效应，电渗流，分离度的优化等，深入的对这些问题进入研究，将极大的推进CE技术的进一步提高与应用。

针对这些理论问题，国内外许多学者进行了大量的研究。

2022/11/12022/11/1如Rhodes和Giddings等对影响区带展宽因素进行了定量分析；Andreev等提出了一个数学模型，讨论了电渗流对CE效率的影响；林炳承等也对CE中各种影响区带展宽的因素进行了定量的分析，得到计算CE区带展宽的数学表达式，用计算机对多肽的CE分析进行了全过程模拟。

陈义等比较系统的研究了毛细管电泳中存在的理论问题，讨论了电泳过程中物质传输的各种动力和描述方程、区带的迁移过程及其变化，各种影响分离效率的因素，并对毛细管电泳检测器及进样中的理论问题，进行了研究。

以上理论的提出，对毛细管电泳的实际应用具有重要的指导意义。

2022/11/12022/11/13应用领域的不断扩展应用领域的不断扩展与传统电泳一样，CE的主要应用领域是生命科学，分离对象涉及氨基酸，多肽，蛋白质，核酸等生物分子，对蛋白质结构分析具有重要意义的肽图，对人体基因工程具有决定性作用的DNA测序等许多当代生命科学中分离分析难题，CE都已涉及。

在应用于生命科学的同时，CE近年来已迅速扩展到其它领域，包括食品化学，药物化学，环境化学，毒物学，医学和法医学等，特别是在手性分子和生物大分子的分离方面，CE具有独特的优势。

2022/11/12022/11/14仪器的不断完善仪器的不断完善CE技术走向成熟的标志是其分析仪器的不断完善和商品仪器的出现。

自1989年出现商品仪器以来，短短几年间，在世界范围内已推出十几种型号的商品化仪器，包括不少自动化性能指标都较完善的仪器，其检测方法也得到了发展，从广泛使用的紫外可见检测，到二极管阵列检测，激光诱导荧光检测，部分仪器还提供了质谱接口。

最近，电化学检测，特别是安培检测方法也得到了广泛的应用。

2022/11/12022/11/1高效毛细管电泳仪器（高效毛细管电泳仪器

（1）2022/11/12022/11/1高效毛细管电泳仪器（高效毛细管电泳仪器

（2）2022/11/12022/11/1高效毛细管电泳仪器（高效毛细管电泳仪器（3）2022/11/12022/11/1相关理论电泳和电泳淌度电渗表观淌度和权均淌度两相分配与权均淌度分离效率与谱带展宽分离度基本原理2022/11/12022/11/1毛细管电泳相关理论一、电泳和电泳淌度电泳是带电粒子在直流电场作用下于一定介质（溶剂）中所发生的定向移动。

2022/11/12022/11/1在电场作用下，带电粒子定向迁在电场作用下，带电粒子定向迁移的速度（电泳速度）可用下式表移的速度（电泳速度）可用下式表示：

示：

电泳速度淌度电场强度2022/11/12022/11/1电场强度是指单位距离的电压电场强度是指单位距离的电压降（降（V/cm）。

）。

淌度（淌度（mobility）是指溶质在单是指溶质在单位电场下的迁移速度，即单位电位电场下的迁移速度，即单位电场下的电泳速度。

场下的电泳速度。

2022/11/12022/11/1在无限稀释溶液中（稀溶液数据在无限稀释溶液中（稀溶液数据外推）测得的淌度称为绝对淌度外推）测得的淌度称为绝对淌度（absolutemobility）。

绝对淌度是在无限稀释时单位电场绝对淌度是在无限稀释时单位电场强度下带电粒子的平均迁移速度，是强度下带电粒子的平均迁移速度，是该离子在一定溶液中的特征物理常数该离子在一定溶液中的特征物理常数2022/11/12022/11/1电场力：

电场力：

根据流体力学知道，（球型）根据流体力学知道，（球型）离子的流动阻力离子的流动阻力FFf：

离子电荷溶剂溶剂粘度粘度离子有离子有效半径效半径2022/11/12022/11/1一定时间后，两种力的作用达到平一定时间后，两种力的作用达到平衡，即衡，即FE=Ff，此时离子作匀速运动，此时离子作匀速运动，电泳进入稳态。

电泳进入稳态。

溶液的介溶液的介电常数电常数粒子的粒子的Zeta电势电势2022/11/12022/11/1棒状粒子：

棒状粒子：

显然，分子半径小，电荷大的离子显然，分子半径小，电荷大的离子具有较大的电泳淌度，而分子半径大，具有较大的电泳淌度，而分子半径大，电荷小的离子具有较小的电泳淌度。

电荷小的离子具有较小的电泳淌度。

2022/11/12022/11/1有效淌度（有效淌度（effectivemobility）是是实际测出的离子淌度，可表示为：

实际测出的离子淌度，可表示为：

样品分子中的第i级解离度活度系数2022/11/12022/11/1它与带电粒子的电荷、形状、大它与带电粒子的电荷、形状、大小、离解度、溶剂化作用，溶剂的介小、离解度、溶剂化作用，溶剂的介电常数、粘度、电常数、粘度、pH值和温度有关。

值和温度有关。

2022/11/12022/11/1电泳分离的基础是建立在各分电泳分离的基础是建立在各分离组分有效淌度的差异上。

离组分有效淌度的差异上。

2022/11/12022/11/1二、电渗二、电渗电电渗渗流流（electroosmoticflow，EOF），简简称称电电渗渗，是是指指管管内内溶溶液液在在外外力力电电场场作作用用下下整整体体向向一一个个方向运动的现象。

方向运动的现象。

2022/11/12022/11/1HPCE通常采用的是石英毛细管柱，一般通常采用的是石英毛细管柱，一般情况下（情况下（pH3），），硅醇基（硅醇基（SiOH）电离电离为硅氧基负离子（为硅氧基负离子（SiO），），使管壁表面带使管壁表面带负电，为了保持电荷平衡，溶液中水合离子负电，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（一般为阳离子）被吸附到表面附近，形成双电层。

双电层。

当在毛细管两端加高电压时，双电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，产生电渗流移动，产生电渗流2022/11/12022/11/1电渗流的大小可用电渗速度和电渗电渗流的大小可用电渗速度和电渗淌度淌度os表示。

表示。

一般情况下，电渗流的速度一般情况下，电渗流的速度是电泳速度的是电泳速度的57倍。

倍。

电渗速度电渗淌度管壁的Zeta电势2022/11/120