毛细管区带电泳
毛细管区带电泳技术快速分离检测爆炸残留物中的无机离子
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毛细管电泳法
Capillary Electrophoresis, CE
毛细管电泳是带电粒子在 电场力的驱动下，在毛细 管中按其淌度或和分配系 数不同进行高效、快速分 离的电泳新技术，也称为 高效毛细管电泳。
20世纪30－40年代 蒂塞利乌斯 (A.W.K.Tiselius） 建立了移动界面电泳，将电泳发 展成分离技术 获得1948年诺贝尔化学奖
实验中，只发生电泳时有效淌度
μef =υef ﹒ (L /V) =( l / tm )﹒(L /V)
毛细管有效长度
迁移时间 毛毛细管细电泳管法 总长度
电压
2 电泳和电渗
电渗
与固液界面的双电层有着密切的关系
在毛细管壁双电层的扩散层中的阳离子，相对于毛 细管壁的负电荷表面，形成一个圆筒形的阳离子鞘， 在电场作用下，溶剂化了的阳离子，沿滑动面与紧 密层作相对运动，携带着溶剂一起向阴极迁移，便 形成了电渗流（electroosmotic flow , EOF）。
1981年 J.W.Jorgenson,K.D.Lukacs实验上和理论 上为毛细管电泳的发展奠定了基础。 上一世纪后二十多年分析化学领域中发展最迅速的分离 分析方法。
主要内容
毛细管电泳的原理 分离模式 进样与检测 毛细管电泳的应用
一 毛细管电泳的原理
1 装置
电极 缓冲液
毛细管
数据处理
毛细管电泳法
2 电泳和电渗
µeo正比于Zeta电势和介质的 介电常数
改变电渗流的方法
反比于介质的黏度
Zeta电势正比于双电层厚度 和界面有效电荷密度
1. 改变外加径向电场
反比于介质的介电常数
2. 改变缓冲液成分和浓度
Zeta电势
3. 改变缓冲液pH 4. 加入添加剂
色谱5--HPCE
－ － － － － － －
－ － － －
石英表面 负电荷
＋＋ ＋－ ＋－ ＋－ ＋－ ＋－
＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － EOF
－ － － － －
水合阳 离子在 表面积 聚
电场作用下 向负极运动
＋
－ －
电渗流的一个独特性质是其具有平面
流型，推动液体流动的力在毛细管内 均匀分布，平面流型的优点是对谱带 的扩散没有直接作用。
热称为焦耳热。受毛细管尺寸、溶液电导、 外加电压等影响。 不均匀的温度梯度和局部的黏度变化会引 起区带展宽。温度变化1℃→黏度变化 2%～3% →淌度变化2%～3% 。 进样塞长度——在进样过程中减少样品塞 长度非常重要。对进样长度的限制是低于 毛细管总长度的（1～2）%。例 70cm长 的毛细管，进样量应小于7mm。
溶质与管壁相互作用——可能导致峰拖
尾 或发生对溶质的完全吸附。对多肽和 蛋白质来说，这种吸附特别严重。可采 用多种方法来减少相互作用： 增加缓冲液浓度以降低有效表面电荷； 在极端pH值下进行分离，使石英表面 硅羟基以不带电的形式存在； 对毛细管壁进行涂层处理。 电分散作用——样品区带与操作缓冲液 的电导差异可产生峰型畸变。
表面活性剂
在毛细管电泳中常添加表面活性剂， 作为疏水性溶质的增溶剂、与溶质形 成离子对，或作为毛细管内壁的改性 剂等，以改善分离效率。常用表面活 性剂有 ： 阴离子—十二烷基硫酸钠（SDS） 阳离子---十六烷基三甲基溴化铵 （CTAB） 两性离子---N,N’二甲基胺-3-丙烷-1磺酸
化合物 HCl NaCl 甘氨酸 柠檬酸 细胞色素C 人血红蛋白 烟草花叶病毒
扩散系数D 3.05 1.48 1.06 0.66 0.11 0.069 0.0046
毛细管技术
大。
（1）高效塔板数目在105-106 片/m 间，当采用CGE 时
系统和数据处理系统。
定性，pH在4-10之间，硅醇基的解离
间过短，峰面积太小，分析误差
作用力的协同作用。
这种相
5）某些质谱技术可以给出多电荷离子，对分析大分子如糖
芯片和微流控分析芯片）。
1994年始，美国橡树岭国家实验室Ramsey等在M
药物合成中带入的杂质和药物的降解产物通常与药物有相似
向和课题。
可喜的是，这方面的工作已开始启动，CE一HPLC、CE一MS联用己取得高效率、高质量的分析成果。
经过科学工作者的不懈努力，一个药物分析领域的新技术快速发展时期即将到来。
毛细管电泳原理及分析策略CE
影响电渗流的因素
• pH值 pH越高，电渗流越大
• 离子强度 离子强度越高，电渗流越小
• 缓冲溶液添加剂 离子型表面活性剂、有机溶剂、环糊精
电渗流随pH的变化情况
控制电渗流的三个重要手段
1. 采用涂层毛细管，消除电渗流的影响 2. 改变pH，从而调整电渗流的大小。pH<3时电
CZE分离条件的选择
• 毛细管类型--涂层还是非涂层？ • 毛细管长度--长毛细管还是短毛细管？ • 缓冲液体系--种类和pH值 • 添加剂类型--甲醇|环糊精|乙腈 • 检测器选择--紫外|二极管阵列|激光诱导荧光
缓冲溶液的选择
可先用磷酸缓冲体系为搜寻基础，初步确定 （最佳）pH范围后，再进一步细选出更好pH 和缓冲试剂。磷酸盐是毛细管电泳中最常用的 缓冲体系之一，它的紫外吸收低，pH缓冲范围 比较宽（pH=1.5～13），但电导也比较大。
--MicroScale Bioseparations 2006
第六章 检测器选择
• 小分子检测 • 大分子检测
CE检测器种类及性能
• 检测系统
HPCE的 种 类 及 性 能
检测方式 紫 外 -可 见 光 吸 收
质 量 检 测 限 (mol) 10-13～ 10-16
浓 度 检 测 限 (M )* 10-5～ 10-8
• 优点
• 缺点
• 增加对弱极性物质分离 的分离度
• 在中药分析、天然产物 分析、农药分析中经常 使用
• 稳定性不佳，达到好的 重复性比较困难
第三章 毛细管凝胶电泳
毛細管內先填充凝胶(例如polyacrylamide或 cellulose)，此时凝胶会在毛細管內形成分子筛， 样品依分子量的大小在毛細管內移动速度不同 而进行分离。
5.3 高效毛细管电泳分离模式
5.2 高效毛细管电泳仪
5.3 毛细管电泳的分离模式
5.4 影响分辨率的因素及操作条件选择
5.5 高效毛细管电泳的应用
结束
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3. 氨基酸、蛋白质、多肽等的所带电荷与溶液pH有关，
在酸性溶液中带正电荷，反之带负电荷。在其等电点时， 呈电中性，淌度为零。
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4. 聚焦：具有不同等电点的生物试样在电场力的作用 下迁移，分别到达满足其等电点pH的位置时，呈电中 性，停止移动，形成窄溶质带而相互分离。
5. 阳极端装稀磷酸溶液，阴极端装稀NaOH溶液。
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2. 电泳流和电渗流的方向相反，且v电渗流 > v电泳 ， 负电胶束以较慢的速率向负极移动。 3.中性分子在胶束相和溶液（水相）间分配，疏水 性强的组分与胶束结合的较牢，流出时间长。 4.可用来分离中性物 质，扩展了高效毛细管电 泳的应用范围。
5.色谱与电泳分离模
式的结合。
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5.4.6 毛细管电渗色谱
Capillary electroosmostic chromatography ，CEC
在毛细管壁上键合或涂渍高效液相色谱的固定
液，以电渗流为流动相，试样组分在两相间的分配
为分离机理的电动色谱过程；
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请选择内容
5.1 毛细管电泳的基本原理
第五章 毛细管电泳
Capillary electrophoresis, CE
5.4.1 毛细管区带电泳
5.4.2 毛细管凝胶电泳
5.4.3 胶束电动毛细管 色谱 5.4.4 毛细管等电聚焦 5.4.5 毛细管等速电泳
第四节 毛细管电泳分离 模式
毛细管电泳的基本原理及应用
毛细管电泳的基本原理及应用摘要：毛细管电泳法是以弹性石英毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的电泳分离分析方法。
该技术可分析的成分小至有机离子、大至生物大分子如蛋白质、核酸等。
可用于分析多种体液样本如血清或血浆、尿、脑脊液及唾液等，比HPLC 分析高效、快速、微量。
关键词：毛细管电泳原理分离模式应用1概述毛细管电泳(Caillary Electrophoresis)简称CE，是一类以毛细管为分离通道，以高压直流场为驱动力的新型液相分离分析技术。
CE的历史可以追溯到1967年瑞典Hjerten最先提出在直径为3mm的毛细管中做自由溶液的区带电泳(Capillary Zone Electro-phoresis，CZE)。
但他没有完全克服传统电泳的弊端[1]。
现在所说的毛细管电泳(CE)是由Jorgenson和Lukacs在1981年首先提出，他们使用了75mm的毛细管柱，用荧光检测器对多种组分实现了分离。
1984年Terabe将胶束引入毛细管电泳，开创了毛细管电泳的重要分支: 胶束电动毛细管色谱(MEKC)。
1987年Hjerten等把传统的等电聚焦过程转移到毛细管内进行。
同年，Cohen 发表了毛细管凝胶电泳的工作。
近年来，将液相色谱的固定相引入毛细管电泳中，又发展了电色谱，扩大了电泳的应用范围。
毛细管电泳和高效液相色谱（HPLC）一样，同是液相分离技术，因此在很大程度上HPCE与HPLC可以互为补充，但是无论从效率、速度、样品用量和成本来说，毛细管电泳都显示了一定的优势毛细管电泳（C E）除了比其它色谱分离分析方法具有效率更高、速度更快、样品和试剂耗量更少、应用面同样广泛等优点外，其仪器结构也比高效液相色谱（HPLC）简单。
C E只需高压直流电源、进样装置、毛细管和检测器。
毛细管电泳具有分析速度快、分离效率高、试验成本低、消耗少、操作简便等特点，因此广泛应用于分子生物学、医学、药学、材料学以及与化学有关的化工、环保、食品、饮料等各个领域[2]。
毛细管常用分离模式
常用分离模式毛细管电泳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，能够提供互不相关而又相互补充的信息。
毛细管电泳常用的分离模式包括毛细管区带电泳（CZE）或称自由溶液毛细管电泳（FSCE）、胶束电动毛细管色谱（MECC）、毛细管凝胶电泳（CGE）、毛细管等电聚焦（CIEF）和毛细管等速电泳（CITP），各分离模式、分离机理见下表。
在大多数情况下，可以通过改变缓冲液的组成来实现不同的操作模式。
毛细管区带电泳毛细管区带电泳（CZE）是毛细管电泳中最简单、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液，基于溶质组分的迁移时间或淌度的不同而分离。
除了溶质组分本身的结构特点和缓冲液组成，不存在其他因素如聚合物网络、pH梯度或另一分配相对分离的影响。
CZE分离无需固体支持介质，不存在基质效应，能分离淌度差别很小的组分。
CZE 中由于电渗流的存在，阴、阳离子可以同时分析，中性溶质电泳迁移为零与电渗流同时流出，如下图。
CZE的特点是操作简单、快速、分离效率高，应用范围广。
从原理上讲可以适用于所有具有不同淌度的荷电粒子的分离，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胶束电动毛细管色谱（MECC或MEKC）是电泳技术和色谱技术巧妙结合的分离新技术。
MECC是在电泳分离缓冲液中加人离子型表面活性剂胶束，使电中性物质能根据其在胶束相和水相的分配系数不同而进行分离。
MECC是毛细管电泳中唯一能同时分离中性物质和离子型物质的分离模式。
它是1984年由Terabe首先报道的一种新型的毛细管电泳技术，也是目前研究较多，应用较广的一种毛细管电泳操作模式。
MECC是基于胶束增溶和电迁移过程进行的，因此其分离要求有两相：一相是带电的离子胶束，是不固定在毛细管中的假固定相，它具有与周围缓冲液介质不同的电泳淌度，也可称为胶束电泳淌度（μmc），并且与分离溶质相互作用（胶束增溶过程）；另一相是导电的水溶液相，在电场作用下，水相由电渗流驱动流向阴极（电迁移过程）。
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毛细管区带电泳（CZE）分离硝基苯酚异构体
一、实验背景
毛细管电泳、气相色谱、液相色谱是目前应用最广泛的高效分离技术，与气相色谱、液相色谱相比，毛细管电泳具有许多独特的优点，如分析速度快、柱效可高达数十万塔板/米、适用于带电样品的分离等，另外毛细管电泳具有样品消耗少、实验试剂成本低等优点，已广泛应用于生物、医药等领域的分离检测。
毛细管电泳技术是现代分离科学中必不可少的重要内容。
二、实验目的
1．了解CZE分离的基本原理。
2．了解毛细管电泳仪的基本构造，掌握其基本操作技术。
3．学会计算CZE的重要参数。
4．运用CZE分离硝基苯酚异构体。
三、实验原理
毛细管电泳是指以毛细管为通道、以高压直流电场为驱动力的一类液相分离分析技术。
毛细管区带电泳是最常用的一种毛细管电泳分离模式，它是根据被分离物质在毛细管中的迁移速度不同进行分离。
毛细管电泳分离分析装置如图1所示。
被分离物质在毛细管中的迁移速度决定于电渗淌度和该物质自身的电泳淌度。
一定介质中的带电离子在直流电场作用下的定向运动称为电泳。
单位电场下的电泳速度称为电泳淌度或电泳迁移率。
电泳速度的大小与电场强度、介质特性、离子的有效电荷及其大小和形状有关。
电渗是伴随电泳而产生的一种电动现象。
就毛细管区带电泳而言，电渗是指毛细管中电解质溶液在外加直流电场作用下的整体定向移动。
电渗起因于固液界面形成的双电层。
用熔融石英拉制成的毛细管，其内壁表面存在弱酸性的硅羟基，当毛细管中存在一定pH值的缓冲液时，硅羟基发生电离，在毛细管内壁形成带负电荷的“定域电荷”。
根据电中性的要求，
“定域电荷”吸引缓冲液中的反号离子（阳离子）形成双电层。
在直流电场作用下双电层中的水合阳离子向负极迁移，并通过碰撞等作用给溶剂施加单向推力，使之通向运动，形成电渗。
单位电场下的电渗速度称为电渗淌度。
电渗速度与毛细管中电解质溶液的介电常数和粘度、双电层的 电势以及外加直流电场强度有关。
若同时含有阳离子、阴离子和中性分子的样品溶液在正极端引入毛细管后，在外加直流电场的作用下，样品组分在毛细管中的迁移情况如图2所示。
样品中阳离子组分的电泳方向与电渗流一致，因此迁移速度最快，最先到达检测窗口。
中性组分电泳速度为零，它随电渗流而行。
阴离子组分因其电泳方向与电渗相反，当电渗速度大于电泳速度时，它将在中性组分之后到达检测窗口；若其电泳速度大于电渗速度，则无法达到检测窗口。
由此可见，毛细管电泳分离的出峰顺序是：阳离子>中性分子>阴离子。
毛细管高压电源铂丝
缓冲溶液
记录仪
图1 毛细管电泳分离分析装置
硝基苯酚是弱酸性物质，其邻、间、对位异构体由于pK a 值不同，在一定pH 值的缓冲液中电离程度不同。
因此，它们在毛细管电泳分离过程中表现出不同的迁移速度，从而实现分离。
电渗电泳
图2 样品组分在毛细管中的迁移情况
四、仪器和试剂
1．北京彩陆科学仪器有限公司CL1030高效毛细管电泳仪（工作电压0～30kV，检测波长190-400 nm）（中科院研究生院应用化学研究所）2．色谱工作站
，长度50cm）
3．石英毛细管（内径50m
4．20mmol/L的磷酸二氢钾溶液用磷酸调整值pH7.0。
取95ml缓冲液加入
5.0ml甲醇，混合后作为背景缓冲液。
过滤，超声波脱气后使用。
5．氢氧化钠溶液（1mol/L），磷酸溶液（0.1mol/L），二次蒸馏水。
6．邻硝基苯酚、间硝基苯酚、对硝基苯酚的甲醇溶液（约0.2mg/ml），及其混合溶液。
硫脲水溶液。
各样品溶液超声脱气后使用。
五、实验内容
1．打开毛细管电泳仪，预热至检测器输出信号稳定。
2．准确测量毛细管长度。
距毛细管一端约8cm处去除约2mm的毛细管聚合物保护层，作为检测窗口，并测量毛细管进样端到检测窗口的长度。
3．将毛细管的检测窗口对准检测器光路，并安装好毛细管。
4．依次用氢氧化钠溶液（1mol/L）、二次蒸馏水、盐酸溶液（0.1mol/L）、二次蒸馏水冲洗毛细管各5min，最后在毛细管注入缓冲液，并将毛细管的两端分别插入位于电极处的缓冲溶液瓶中。
将直流电压调至20 kV。
5．待记录仪器基线稳定后，关闭高压电源，用压力进样方式进样。
进样后重新打开高压电源，同时按下计时按钮，待样品峰出现后记录其迁移时间。
混合样按同样的操作步骤进行操作，并记录分离图。
6．改变外加电压，重复步骤4，5。
7．实验完毕后，关闭电源仪器，并用二次蒸馏水、甲醇依次冲洗毛细管。
六、数据处理
1．根据所得到的实验数据，计算电渗速度、电渗淌度、各组分的电泳淌度、间硝基苯酚的理论踏板数。
根据分离图计算各组分间的分离度。
2．绘制外加电压与电渗速度的关系图，并给予解释。
3．
七、思考题
1．为什么本实验要采用pH为7左右的缓冲液分离硝基苯酚异构体？用pH 为2的缓冲液可以吗？
2．若要得到流向正极的电渗流，应采取哪些措施。
八、参考文献
1．陈义编著.毛细管电泳技术及应用.化学工业出版社，2000
2．傅若农编著.色谱分析概论.化学化工出版社，2000。