毛细管电泳基本原理和构造
毛细管电泳法
毛细管电泳法类型 —— 非胶毛细管电泳
指介质中以有机溶剂占主要部分，即表现为非水体
系的性质。能承受更高的操作电压产生的高电场， 有更高的分享效率，也可在不增大焦耳热的条件下
提高溶液中的离子浓度或增大毛细管的内径，从而
增大进样量。 优点：使用超大内径毛细管柱、快速分析、降低吸 附、提高分离选择性、有利于难溶于水及在水中不 稳定的化合物的分离、对中性物质的分离、对手性
.改变电渗最方便有用的方法 .可能会引起溶质组分电荷和结构的改变 .离子强度增加，电流和焦耳热增加 .低离子强度可能存在样品的吸附问题 .导电性与样品不同可能引起峰形畸变 .离子强度低，样品装载量小
缓冲溶 pH降低，电渗降低 液pH值 pH降低，电渗增加 离子强 度或缓 冲溶液 浓度 温度 有机改 性剂 离子强度增加， Zeta电位降低， 电渗降低
V=Vep+Veo=(μep + μeo ) ·E
毛细管电泳法仪器构造
毛细管电泳法仪器构造
毛细管柱是CE的核心部件，目前多为25~75μm之间， 材料为聚四氟乙烯、玻璃和弹性石英，以石英居多。 选择细内径毛细管柱有利于最大散热，但比表面积大， 会增加溶质的吸附作用。
高压电源：包括电源、电极和电极槽
温度改变1℃，黏度 .温度由仪器自动控制，常用方法 变化约2%--3% 改变Zeta电位和黏 度（降低电渗） .变化复杂，其影响宜通过实验测定 .可能改变选择性
毛细管电泳法基本原理
粒子在毛细管内电解质中的迁移速度等于电泳和电渗流（EOF） 两种速度的矢量和。正离子的运动方向和电渗流一致，故最先 流出；中性粒子的电泳流速度为“零”，故其迁移速度相当于 电渗流速度；负离子的运动方向和电渗流方向相反，但因电渗 流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出， 从而因各种粒子迁移速度不同而实现分离。
毛细管电泳法的特点和CE-MS的构造
自动化与智能化
通过自动化和智能化技术，实现CE-MS的 远程控制和实时监测，提高分析效率。
解决实际应用中的问题
样品处理
优化样品处理方法，减少基质干扰，提高分析准确度。
交叉污染
采取有效措施减少交叉污染，如定期清洗、更换分离介质等，确保分析结果的可靠性。
谢谢
Байду номын сангаасTHANKS
03 CE-MS的构造
CHAPTER
毛细管电泳仪
高效分离
毛细管电泳仪利用电场对 带电粒子的作用力，实现 高效分离不同成分的物质。
微量进样
毛细管电泳仪采用微米级 的进样体积，可减少样品 消耗，降低实验成本。
高灵敏度
毛细管电泳技术结合激光 诱导荧光检测等高灵敏度 检测方法，可实现对痕量 物质的检测。
质谱仪
分子结构分析
质谱仪通过测量分子在电场和磁 场中的行为，确定分子的质量和
结构信息。
高选择性
质谱技术可对复杂混合物中的目标 分子进行高选择性检测，排除干扰 物质。
定量分析
质谱技术可实现目标分子的定量分 析，提供准确的物质浓度信息。
接口设计
高效传输
接口设计的主要目标是实现毛细管电 泳分离后的样品溶液高效传输至质谱 仪。
原理
在毛细管中施加电场，带电粒子在电 场作用下产生迁移，根据其在电场中 的迁移速度差异实现分离。
发展历程
1980年代初期
毛细管电泳技术开始发展，研究者发 现使用毛细管可以产生电渗流，为电 泳提供驱动力。
1980年代中期
成功分离氨基酸和多肽，奠定了毛细 管电泳在生物分析领域的应用基础。
1990年代
毛细管电泳技术得到广泛应用，涉及 蛋白质、DNA、糖类等多种生物分 子的分离分析。
毛细管电泳的原理
毛细管电泳的原理
毛细管电泳是一种基于电动力移动带电粒子的原理的分析技术。
其原理基于两种力的作用：电场力和背景电解质流体的流动力。
首先，毛细管电泳系统由一个毛细管和两个电极组成。
毛细管内部被填充着一种带电分离介质，通常是一种缓冲液或凝胶。
当电压施加到毛细管的两端时，形成了一个电场。
在电场的作用下，带电粒子在毛细管内部开始移动。
带电分离介质可以增加粒子的电导率，使其更容易受到电场力的作用。
移动的方向取决于粒子的电荷性质，正电荷的粒子会向阴极移动，而负电荷的粒子则向阳极移动。
带电粒子在电场的作用下开始迁移，但同时毛细管内也存在着电解质溶液的背景流动。
这种背景流动力可以通过外加压力或电场脉冲来调控。
通过不同的控制方法，可以调整背景流动力的大小，从而改变分离的速度和效果。
通过以上原理，毛细管电泳可以将样品中的带电分子或粒子根据它们的电荷性质和迁移速度进行分离和分析。
不同的分子或粒子会在电场力和背景流动力的作用下，按照它们的大小、电荷和其他特性进行相互分离，并在毛细管内部形成不同的峰。
这些峰的形状和相对位置可以被检测器检测到并记录下来，从而得到样品中各成分的定量和定性信息。
通过毛细管电泳技术，可以对各种样品进行分析，包括生物样
品、药物、食品和环境样品等。
它具有操作简便、分辨率高、灵敏度高等优点，因此在许多领域都得到了广泛应用。
《毛细管电泳法》PPT课件
；
毛细管凝胶电泳综合了电泳技术和平板 凝胶电泳的优点 :
电泳峰锋利，柱效极高 短柱上实现极好的分别 试样容量为10－12g
主要缺陷:制备柱较困难，寿命较短 已成为分别分析生物大分子如蛋白质、 多肽、核 酸、DNA等强有力的工具。 例运用CGE分别与激光诱导荧光检测相 结合，用于DNA序列快速分析。
；
5 毛细管等电聚焦 CIEF
1、毛细管内充有两性电解质〔合成的具有不同等电点 范围的脂肪族多胺基多羧酸混合物〕，当施加直流电压 〔6～8V〕时，管内将建立一个由阳极到阴极逐渐升高 的pH梯度；
2、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；
vT=vA=vB=vC=vL 或：
TET= AEA= BEB= CEC= LEL
式中， ，有效淌度， E，电场强度
由于
T〉 A〉 B〉 C〉 L，
所以有: E T < E A < E B < E C < E L
各区带的电场强度不同。前导电解质区带的电场强度最 小。
；
假设某一区带的离子进入前一区带， 由 于电场强度变小而减速，由假设进入到 下区带，由于电场强度变大而加速， 都 退回到原区带, 结果导致各区带构成鲜 明的界面.
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分配系 数不同进展高效、快速分别的电泳新技 术，也称为高效毛细管电泳。
一、毛细管电泳的原理 二、分别方式
毛细管电泳法
毛细管电泳法概述毛细管电泳法是一种分离和测定化合物的方法，主要通过在毛细管中施加电场，利用化合物在电场作用下的电荷性质和分子大小来实现分离。
毛细管电泳法具有快速、高效、高分辨率、高灵敏度和易于自动化等特点，广泛应用于生命科学、化学分析和药物研发等领域。
原理毛细管电泳法的原理基于化合物在溶液中的电荷性质和分子大小。
在毛细管中施加电场后，带正电荷的化合物（称为阳离子）会向负极移动，带负电荷的化合物（称为阴离子）会向正极移动。
此外，较小的分子会比较大的分子更快地移动。
毛细管电泳法通常涉及两种类型：区域电泳和溶剂前移电泳。
区域电泳区域电泳是毛细管电泳法中常用的方法。
在区域电泳中，毛细管中的电场强度不均匀，其中一个区域的电场强度较弱，另一个区域的电场强度较强。
样品被注入到电场强度较弱的区域，然后通过施加电场使样品向较强的电场区域移动。
不同化合物的迁移速度取决于它们的电荷和分子大小，因此可以实现化合物的分离。
溶剂前移电泳溶剂前移电泳是另一种常用的毛细管电泳法。
在溶剂前移电泳中，毛细管中的电场强度是均匀的。
样品被注入到毛细管中，然后施加电场使样品移动。
不同化合物的迁移速度取决于它们在溶剂中的溶解度和电荷性质，因此可以实现化合物的分离。
仪器和操作步骤进行毛细管电泳法需要一些特定的仪器和材料，如毛细管电泳仪、毛细管、高电压电源、样品注射器、电解质缓冲液等。
下面是一般的操作步骤：1.准备工作：检查仪器是否正常工作，准备所需的电解质缓冲液和样品。
2.毛细管准备：将毛细管切割为适当长度，并连接到毛细管电泳仪。
3.缓冲液填充：将电解质缓冲液注入毛细管的两端，确保整个毛细管都充满缓冲液。
4.样品注射：使用样品注射器将待分离的样品缓慢而均匀地注入到毛细管中。
注射点距离电极一定距离。
5.施加电场：从高电压电源上施加适当的电场，在实验过程中保持稳定电场。
6.记录结果：观察样品的迁移情况，根据需要调整电场强度和时间，记录分离结果。
第三章毛细管电泳分离技术
注：μe:电泳迁移率(电泳淌度); E:电场强度; V－毛细管柱两 端施加的电压；L－毛细管柱的长度。
μe =νe/E= Q/f
第三章毛细管电泳分离技术
ve
Q f VL
QV
6RsL
注： Q－离子所带的净电荷；f－Stokes阻力系数。η是缓冲 溶液的粘度(动力学的)，Rs是离子的有效半径(包括溶剂化层)
毛细管电泳分离柱效方程式
两端电压
N l2
aV pp l eeV o l
2 Dt2 DL 2 D L
理论塔板高
毛细管总长度
溶质扩散系数
实验上可按下式求出理论塔板数
电泳图上从起点至电泳峰 最大值之间的距离
电泳峰的半高峰宽
第三章毛细管电泳分离技术
毛细管电泳分离柱效方程式
N l2
① 消除固液界面间的ζ电位或提高溶液的粘度； ② 在毛细管的内壁涂上聚合物，如聚丙烯酰胺涂
层。 具体方法有：
第三章毛细管电泳分离技术
第三章毛细管电泳分离技术
第三章毛细管电泳分离技术
第三章毛细管电泳分离技术(Fra bibliotek)分离效率和分离度
1、分离效率
电泳湍度
毛细管有效长度
电渗湍度
柱效可用理论塔板数n表示
• 20世纪70年代在HPLC的推动下，电泳分离技术 成为了一种“灰姑娘”式的技术
第三章毛细管电泳分离技术
• 1981年，Jorgenson等介绍了毛细管区带电泳技 术。
• 1984年Terabe等提出的胶束电动毛细管色谱。 • 1987年，Hjerten建立了毛细管等电聚焦。 • 1987年，由Chohen等提出了毛细管凝胶电泳。 • 1991年，Monnig等首次提出了高速毛细管电泳。 • 目前，毛细管电泳已广泛应用于氨基酸、肽、蛋
毛细管电泳的基本原理及应用(图文参照)
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]。
毛细管电泳
带电粒子在直流电场作用下于一定介质（溶剂）中所发生的定向运动称为电泳。单位电场下的电泳速度称为 淌度。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。
电场中带电离子运动除了受到电场力的作用外，还会受到溶剂阻力的作用。一定时间后，两种力的作用就会 达到平衡，此时离子作匀速运动，电泳进入稳态。实际溶液的活度不同，特别是酸碱度的不同，所以样品分子的 离解度不同，电荷也将发生变化，这时的淌度可称为有效电泳淌度。一般来说，离子所带电荷越多、离解度越大、 体积越小，电泳速度就越快。
基础理论
Zeta电势
双电层
淌度
双电层是指两相之间的分离表面由相对固定和游离的两部分离子组成的。
双电层是与表面异号的离子层，凡是浸没在液体中的界面都会产生双电层。在毛细管电泳中，无论是带电粒 子的表面还是毛细管管壁的表面都有双电层。
电介质溶液中，任何带电粒子都可被看成是一个双电层系统的一部分，离子自身的电荷被异号的带电离子中 和，这些异号离子中有一些被不可逆的吸附到离子上，而另一些则游离在附近，并扩散到电介质中进行离子交换。 “固定”离子有一个切平面，它和离得最近的离子之间的电势则被称之为离子的Zeta电势。
电渗、电渗流和表观淌度电渗是推动样品迁移的另一种重要动力。所谓电渗是指毛细管中的溶剂因轴向直流 电场作用而发生的定向流动。电渗是由定域电荷引起。定域电荷是指牢固结合在管壁上、在电场作用下不能迁移 的离子或带电基团。在定域电荷吸引溶液中的反号离子并与其构成的双电层，致使溶剂在电场作用（以及碰撞作 用）下整体定向移动而形成电渗流（毛细管中的电渗流为平头塞状）。
毛细管电泳仪度随pH的升高而升高，电渗流也随之升高。因此，pH为分离条件优化时不可忽视的因素。
在CE中，分离电压也是控制电渗的一个重要参数。高电压是实现CE快速、高效的前提，电压升高，样品的迁 移加大，分析时间缩短，但毛细管中焦耳热增大，基线稳定性降低，灵敏度降低；分离电压越低，分离效果越好， 分析时间延长，峰形变宽，导致分离效率降低。因此，相对较高的分离电压会提高分离度和缩短分析时间，但电 压过高又会使谱带变宽而降低分离效率。电解质浓度相同时，非水介质中的电流值和焦耳热均比水相介质中小得 多，因而在非水介质中允许使用更高的分离电压。
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▪ 电泳迁移：在高压电场下，带电离子向相反的方向移动。 ▪ 电渗迁移：当毛细管内充满缓冲溶液时，毛细管壁上的硅羟基发生解
离，生成氢离子溶解在溶液中，这样就使毛细管壁带上负电荷与溶液 形成双电层，在毛细管的两端加上直流电场后，带正电的溶液就会整 体的向负极端移动，这就形成了电渗流。 ▪ 在操作缓冲溶液中，带电粒子的运动速度等于电泳速度和电渗速度的 矢量和，电渗速度一般大于电泳速度，因此即使是阴离子也会从阳极
v ueE
v—离子迁移速度 µe—电泳迁移率，单位电场下离子的移动速度
在稳定的电泳状态下电场力和摩擦力大小相等、方向相反，即：
qE 6Rv
（2.6）
uE
q f
q
6 R
q 离子电荷 介质黏度 R 离子半径
方程（2.6）表明半径小、电荷高的组分具有大的迁移率，而半径大、电荷低的组 分具有小的迁移率。 在通常的物理参数表中查到的是无限稀释完全电离条件下的电泳迁移率（绝对迁 移率），实验中测得的迁移率称为有效迁移率，与缓冲溶液组成、pH值等有关。
§2.2电渗及电渗控制
▪ 电渗是由于外加电场对管壁溶液双电层的作
用而产生的溶液的整体流动，其大小与毛细管壁 表面电荷有关。 ▪ 对石英毛细管，管壁表面带负电，溶液中的对离 子被吸附到表面附近，形成双电层。当在毛细管 两端加电压时，双电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整体 溶液向阴极移动。
前三种属于区带电泳，当以缓冲溶液作为载体电解质，即 为FSCE;以胶束溶液作为载体电解质，即为MECC;以凝胶作为载 体电解质，即为CGE.
二.迁移时间和迁移率 组分从进样点迁移到检测点所需要的时间称为迁移时间，
等于移动的距离除以速度。在电渗存在时，测得为表观迁移率。
t lL lL
aV (e eo)V
电渗是溶液整体的流动，它不能改变分离的选择性。
电渗的控制
方法
结果
说明
电场强度
正比于电渗
.电场强度降低分离效率和分辨率的降低 .电场强度增加，焦耳热增加
缓冲溶液pH值
pH降低，电渗降低 pH降低，电渗增加
.改变电渗最方便有用的方法 .可能会引起溶质组分电荷和结构的改变
离子强度或缓冲溶 液浓度
离子强度增加，Zeta电位 降低，电渗降低
介质的介电常数
注
意
：
e
与
o
电
场
强
度E无
关
在毛细管中电渗流的一个重要特性是平流型的。电渗速度的径向分布如图：
veo (X )
0
0.8 X(nm)
0 5 10 15 20
veo(X):离管壁距离为X(nm)时 的电渗流
电渗的另一个特点可以使几乎所有的组分不管电荷大小，以同样的方向移动。 组分在毛细管中流出时间 取决于电渗速度和组分迁移速度的矢量和。一般情况下， 电渗方向从阳极到阴极,且电渗速度一般大于电泳速度，所以阴离子也在阴极流出。 因此，阳离子、阴离子、中性分子能够同时分析。
.离子强度增加，电流和焦耳热增加 .低离子强度可能存在样品的吸附问题 .导电性与样品不同可能引起峰形畸变 .离子强度低，样品装载量小
温度 有机改性剂
温度改变1℃，黏度变化 .温度由仪器自动控制，常用方法 约2%--3%
改变Zeta电位和黏度（降 .变化复杂，其影响宜通过实验测定
低电渗）
.可能改变选择性
端流向阴极端。
根据分离原理不同，可分为五种分离模式：
毛细管电泳模式 自由溶液毛细管电泳(FSCE) 毛细管胶束电动色谱(MECC)
毛细管凝胶电泳(CGE) 毛细管等电聚焦(CIEF) 毛细管等速电泳(CITP)
分离机理
根据组分的电泳迁移率不同
根据组分在胶束相和水相的分配 系数不同 根据组分体积和电荷不同
在pH大于3时，电渗不可忽视。电渗在各种电泳模式中均存在， 但在CE中由于采用了细内径的毛细管，毛细管的表面积比较大， 且使用高电场，因此电渗显得特别重要。
电渗的大小用电渗速度或电渗迁移率表示：
veo ( / ) E 或eo ( / )
veo 电渗速度
eo 电渗迁移率 双电层的Zeta电位
表面活 改变蔬水性或通过离子 .阴离子表面活性剂使电渗流
性剂 相互作用吸附在毛细管 增加
壁上
.阳离子表面活性剂使电渗降
低或逆向
会改变选择性
中性亲 通过蔬水性相互作用吸 .通过掩盖表面电荷或增加黏
水性聚 附在毛细管壁上
度，降低电渗
合物
共价涂 化学键和到毛细管壁上 .可使用多种修饰剂
覆
.涂覆物的稳定性 存在问题
图中： 阳离子移动速度 =电渗流速度+ 阳离子电泳速率 中性分子移动速度 =电渗流速度 阴离子移动速度 =电渗流速度—阴离子电泳速率
所以：移动速率 阳离子>中性分子>阴离子
但对于小离子（钠、钾、氯）分析，组分电泳速率一般大于电渗速率。另外，
毛细管壁电荷的改性会使电渗发生变化，在这些情况下，阳离子和阴离子可能向不 同的方向移动。
根据组分的等电点不同
根据组分的迁移率不同，与 FSCE不同的是，它使用两种不 同电介质
▪ 毛细管区带电泳 将待分析溶液引入毛细管 进样一端，施加直流电压后，各组分按各 自的电泳流和电渗流的矢量和流向毛细管 出口端，按阳离子、中性粒子和阴离子及 其电荷大小的顺 序通过检测器。中性组分 彼此不能分离。出峰时间称为迁移时间， 相当于高效液相色谱和气相色谱中的保留 时间。
▪ 毛细管电泳泛指以高压电场为驱动力，以 毛细管为分离通道，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 一类液相分离技术。毛细管电泳仪的基本 结构包括一个高压电源，一根毛细管，一 个检测器及两个供毛细管两端插入而又可 和电源相连的缓冲液贮瓶。
毛细管电泳的理论基础
电泳
• 电泳分离是基于组分在电场下的迁移速度不同而进 行的。离子在电场下的移动速度为：
式中：a 表观迁移率
V—施加电压 L—毛细管总长 E—电场强度
l—毛细管有效长度 t—迁移时间
柱效和分辨率 一.扩散与理论板数 两个电泳区带的分辨率与区带宽度有关，而区带
宽度在很大程度上取决于扩散过程。 溶质组分的区带扩展，是由于溶质在介质中的扩
散速度不同而引起的。
在理想的条件下，在毛细管电泳中，溶质区带扩展的 唯一因素是纵向扩展，因此，柱效只要与分子扩散有关：