分析化学下仪器分析毛细管电泳和毛细管电色谱
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毛细管电泳法
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
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
§4.5毛细管电泳
电渗淌度与硅氧层表面的电荷密度成正比，与离子 强度的平方根成反比。在低pH条件下，硅氧层形 成分子（Si-OH），因而减少了表面电荷密度，故 电渗速度减小。如在pH 9的硼砂缓冲液中电渗速 度约2 mm s-1，而在pH 3介质中电渗速度减小约一 个数量级。影响电渗的一个重要因素是毛细管中因 电流作用产生的焦耳热，能使得柱中心的温度高于
app ep eo
根据以上的讨论，带正电荷的离子的μep＞0，μeo＞0， 故μapp总是为正号，离子向阴极移动；而带负电荷 的离子受电泳流的影响被阴极排斥，μep＜0，在高 pH条件下，若μeo＞μep，μapp仍为正号，离子仍然可 向阴极移动，但在低pH条件下，μapp可为负号，离 子将向反方向移动。此时必须改变电场方向，方可
0.5psi)附近。
进样时间的取值在1～5s之间，有时可超过60s。利 用压缩空气如钢瓶气可以实现正压进样，并能和毛 细管清洗系统共享，多为商品仪器采用。负压进样 需要特别精密的控制设计，容易因泄露等原因出现 不重复进样。正、负压进样都需要密封技术。压力 进样没有进样歧视现象，但选择性差，样品及其背
电渗流的另一个特点是可以使几乎所有的样品组分 不管带电不带电、电荷大小、带负电还是带正电都 以同样的方向移动。各自组分在毛细管中的流出时 间（迁移时间）取决于电渗流速度和组分电泳速度 的矢量和。在一般情况下，电渗流方向从阳极到阴 极，且电渗速度大于电泳速度，所以阴离子（除无 机离子）也在阴极流出。因此，合理地利用电渗流 可以使阳离子、中性分子、阴离子实现同时分离分 析。
电动进样对毛细管内的填充介质没有特别限制， 属普适性方法，可实现完全自动化操作，也是商 品仪器必备的进样方法。不过电动进样对离子组 分存在进样偏向，即迁移速度大者多进，小者少 进或不进，这就是所谓的进样歧视现象，这种现
高效毛细管电泳技术
技术上采取了两项重要改进： ○ 一是采用了0.05mm内径的毛细管，大大减小了温度效应； ○ 二是采用了高达数千伏的电压，又可进一步使柱径变小， 柱长增加，柱效远高于高效液相色谱；
2.1 电渗现象
当固体与液体接触时，固体表面带一种电荷，则 因静电引力使其周围液体带有相反电荷，在液-固界 面形成双电层，二者之间存在电位差。
202X 添加副标题
毛细管电泳
目录
一、概述-毛细管和电泳技术
+
毛细管柱是毛细管电泳（CE）的核心部件，目前多为2575μm之间，材料为聚四氟乙烯、玻璃和弹性石英，以石英 居多。 电泳：在电解质溶液中，带电离子在电场力的作用下，以不 同的速度向与其所带电荷相反的电极迁移的现象。由于不同 离子所带电荷及性质的不同，迁移速率不同，可实现分离。
3.2 DNA分析
DNA分析包括碱基、核苷、核苷酸、寡核苷酸、引物、探针、单链 DNA、双链DNA分析。用CE测DNA序列的应用很多, 如用短寡核苷酸
引物库测DNA 序列、高速DNA 序列、毛细管阵列、毛细板阵列。
3.3 环境分析
01
水源是人类生存最重要的环境 资源，对水质的分析是CE 最 广泛的应用领域之一。CE 的 工作环境是水介质，这一特点 为环境分析带来极大方便。目 前，CE已经可以准确测量出 水环境中的多种多环芳烃、多 氯联苯等。
1. 邓光辉用毛细管电泳安培检测法检出了辣椒粉样品中的苏丹红 I 号。 2. 张辰凌等以 20 mmol/L 乳酸溶液为背景电解质，用毛细管电泳-电容耦合非接触
电导法检测了牛奶中的三聚氰胺的含量。 3. 管月清等采用毛细管电泳-电化学检测法同时测定了肉制品中盐酸克伦特罗与沙丁
胺醇的含量。
四、毛细管电泳的特点
2.1 电渗现象
当固体与液体接触时，固体表面带一种电荷，则 因静电引力使其周围液体带有相反电荷，在液-固界 面形成双电层，二者之间存在电位差。
202X 添加副标题
毛细管电泳
目录
一、概述-毛细管和电泳技术
+
毛细管柱是毛细管电泳（CE）的核心部件，目前多为2575μm之间，材料为聚四氟乙烯、玻璃和弹性石英，以石英 居多。 电泳：在电解质溶液中，带电离子在电场力的作用下，以不 同的速度向与其所带电荷相反的电极迁移的现象。由于不同 离子所带电荷及性质的不同，迁移速率不同，可实现分离。
3.2 DNA分析
DNA分析包括碱基、核苷、核苷酸、寡核苷酸、引物、探针、单链 DNA、双链DNA分析。用CE测DNA序列的应用很多, 如用短寡核苷酸
引物库测DNA 序列、高速DNA 序列、毛细管阵列、毛细板阵列。
3.3 环境分析
01
水源是人类生存最重要的环境 资源，对水质的分析是CE 最 广泛的应用领域之一。CE 的 工作环境是水介质，这一特点 为环境分析带来极大方便。目 前，CE已经可以准确测量出 水环境中的多种多环芳烃、多 氯联苯等。
1. 邓光辉用毛细管电泳安培检测法检出了辣椒粉样品中的苏丹红 I 号。 2. 张辰凌等以 20 mmol/L 乳酸溶液为背景电解质，用毛细管电泳-电容耦合非接触
电导法检测了牛奶中的三聚氰胺的含量。 3. 管月清等采用毛细管电泳-电化学检测法同时测定了肉制品中盐酸克伦特罗与沙丁
胺醇的含量。
四、毛细管电泳的特点
说明毛细管电泳特点及应用
说明毛细管电泳特点及应用
毛细管电泳是一种高效液相色谱技术，其基本原理是利用电场将带电粒子在毛细管中的移动速率和荷电量的差异进行分离和富集。
毛细管电泳具有高分离效率、快速分离、小量样品、自动化程度高等特点，已经成为了化学、生物、环境学等领域的一个重要分析工具。
其主要应用领域和特点如下：
1.分离生化分子
毛细管电泳可以用于分离和富集DNA、RNA、蛋白质、糖类和小分子有机物等生物分子。
这些生物分子在酸碱性、水解、氧化还原等条件下有不同的化学性质和电荷性质，可以被毛细管电泳技术精确分离和定量。
例如在DNA分离和定量方面，毛细管电泳已经成为PCR扩增产物检测、基因测序、DNA指纹鉴定等分子生物学技术中的重要手段。
2.分析环境污染物
毛细管电泳可以用于环境监测和食品安全检测等领域，可以对水、空气、土壤和食品中的有机和无机污染物进行快速准确定量分析。
例如利用毛细管电泳技术可以分析环境中的氨、硝酸盐、荧光增白剂、PESTICIDE 等有害物质含量，以及酒类中的苯甲酸、乙酸等有害物质。
3.分析药品和代谢产物
毛细管电泳可以快速、灵敏地分离和鉴定药品和代谢产物，具有药动学和毒理学研究的重要意义。
毛细管电泳技术节省反应时间，减少实验操作时间，可对液-液、液-固、固-液等反应进行分离和分析，得到精确的数据和结果。
如利用毛细管电泳技术，可以分析身体内的有机酸、氨基酸、代谢产物等物质。
总之，毛细管电泳技术在化学分析和生物分析中均有广泛应用，且已成为学术研究和工业生产的一种重要分离分析手段。
毛细管电泳的分离原理
毛细管电泳的分离原理
毛细管电泳（CE）是一种基于电动力和色谱分离原理的分析技术。
它利用毛细管中载带电荷的离子在电场作用下的迁移速率的差异来实现分离。
在毛细管电泳中，首先将样品注入到一条非常细的毛细管内，然后通过使毛细管两端施加电场来产生电动力。
当电场施加到毛细管上时，带电的分析物会受到电场力的作用而在毛细管内迁移。
不同的物质由于自身的特性，比如大小、电荷等，会以不同的速率迁移。
具体来说，有两种常用的毛细管电泳模式：
1. 毛细管凝胶电泳（CGE）：在该模式下，毛细管内填充了哑离子聚合物凝胶，通过凝胶的孔道来实现分离。
样品中的离子在电场作用下，根据尺寸的不同，在凝胶中迁移速度也不同，从而实现分离。
2. 毛细管毛细管区带电泳（CZE）：在该模式下，毛细管内不填充任何分离介质。
样品中的离子自行在毛细管中迁移，根据大小和电荷的不同，迁移速度也不同，从而实现分离。
总的来说，毛细管电泳的分离原理是利用样品中离子在电场作用下的迁移速率差异，根据大小和电荷特性，在毛细管中实现分离。
毛细管电泳
第五章
毛细管电泳
（Capillary Electrophoresis,CE）
第一节
概述
气相色谱虽然分离效率、选择性、灵敏度都很高，但 是它只适用于热稳定性好、易挥发的物质。 高效液相色谱虽然可以分析热稳定性差、难挥发的物 质，但是缺乏高灵敏度的通用型检测器。对于大分子 物质因其分子扩散系数小、传质阻力大，使柱效率大 大降低，以至于难以分离相对分子质量大于2000的物 质。 经典电泳技术操作繁琐费时、定量困难，且很难满足 现代生命科学研究的要求。
第二节 毛细管电泳理论
一、电泳法的基本原理
当带电粒子以速度v在电场中移动时，所受的 电场力为： FE = qE 式中： FE为电场力； q溶质粒子所带的有效电荷； E电场强度。
带电粒子运动时所受的阻力，即摩擦力为：
F = fv
式中： F为摩擦力；
f摩擦系数；
v溶质粒子在电场中的迁移速度。
当平衡时，电场力和摩擦力相等而方向相反：
特 点
1. 仪器简单，操作方便，容易实现自动化。
2. 分离效率高，柱效可达105~107块/m。
3. 分析速度快，几十秒～几十分钟。 4. 实验成本低，溶剂和试样消耗极少。 5. 操作模式多，分析方法开发容易。 6. 应用范围极广。
三、毛细管电泳的几种模式
1. 毛细管区带电泳 （capillary zone electrophoresis，CZE） 溶质在毛细管内的电解质溶液中以不同速度迁移而形成 一个一个独立的溶质带的电泳模式，其分离基础是淌度的 差别。 特点：简单，但不能分离中性物质。 2. 胶束电动色谱 （micelle electrokinetic chromatography，MECC） 在操作缓冲溶液中加入大于临界胶束浓度的表面活性剂。 特点：不仅分离离子型化合物，也能分离中性化合物。
毛细管电泳
（Capillary Electrophoresis,CE）
第一节
概述
气相色谱虽然分离效率、选择性、灵敏度都很高，但 是它只适用于热稳定性好、易挥发的物质。 高效液相色谱虽然可以分析热稳定性差、难挥发的物 质，但是缺乏高灵敏度的通用型检测器。对于大分子 物质因其分子扩散系数小、传质阻力大，使柱效率大 大降低，以至于难以分离相对分子质量大于2000的物 质。 经典电泳技术操作繁琐费时、定量困难，且很难满足 现代生命科学研究的要求。
第二节 毛细管电泳理论
一、电泳法的基本原理
当带电粒子以速度v在电场中移动时，所受的 电场力为： FE = qE 式中： FE为电场力； q溶质粒子所带的有效电荷； E电场强度。
带电粒子运动时所受的阻力，即摩擦力为：
F = fv
式中： F为摩擦力；
f摩擦系数；
v溶质粒子在电场中的迁移速度。
当平衡时，电场力和摩擦力相等而方向相反：
特 点
1. 仪器简单，操作方便，容易实现自动化。
2. 分离效率高，柱效可达105~107块/m。
3. 分析速度快，几十秒～几十分钟。 4. 实验成本低，溶剂和试样消耗极少。 5. 操作模式多，分析方法开发容易。 6. 应用范围极广。
三、毛细管电泳的几种模式
1. 毛细管区带电泳 （capillary zone electrophoresis，CZE） 溶质在毛细管内的电解质溶液中以不同速度迁移而形成 一个一个独立的溶质带的电泳模式，其分离基础是淌度的 差别。 特点：简单，但不能分离中性物质。 2. 胶束电动色谱 （micelle electrokinetic chromatography，MECC） 在操作缓冲溶液中加入大于临界胶束浓度的表面活性剂。 特点：不仅分离离子型化合物，也能分离中性化合物。
毛细管电泳原理及分析策略CE
• 电渗流的波动极大的影 响了迁移时间的重复性
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。
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。
第13章 高效毛细管电泳
谱，理论塔板数高达几十万块/米，特殊柱子可以达到 数百万。
总之，与经典电泳法比较，毛细管电泳法的特点 有四个：高效、快速、微量和自动化。
பைடு நூலகம்
目 录
13-1 概述
13-1-1 发展历史 13-1-2 经典电泳分析 13-1-3 高效毛细管电泳技术 13-1-4 分离过程 13-1-5 高效毛细管电泳的特点
目 录
13-1 概述
13-1-1 发展历史 13-1-2 经典电泳分析 13-1-3 高效毛细管电泳技术 13-1-4 分离过程 13-1-5 高效毛细管电泳的特点
13-2 理论基础 13-3 高效毛细管电泳仪 13-4 高效毛细管电泳分离模式 13-5 应用与进展
13-1-3 高效毛细管电泳技术
高效毛细管电泳的优点（三高二少）
1. 高灵敏度：常用紫外检测器的检测限可达10-13～10-15 mol, 激光诱导荧光检测器则达10-19～10-21mol； 2. 高分辨率：其每米理论塔板数为几十万，高者可达几百万 乃至千万, 而HPLC一般为几千到几万;
3. 高速度：最快可在60s内完成，在250s内分离10种蛋白质, 1.7min分离19种阳离子, 3min内分离30种阴离子；
1953
1954~1956 1962~1964 1964 1967 1968 1968
Grabar and Williams CA
Kolin A Hherten S Vesterberg O. Shapiro A.L. Hedrick J.L Clarke M.H.J
免疫电泳
人工pH梯度介质的合成 聚丙烯酰胺PAA和琼脂糖凝胶电泳 合成两性电解质，等电聚焦 SDS电泳 Ferguson作图法（用于聚丙烯酰胺凝胶） 交叉免疫电泳
总之，与经典电泳法比较，毛细管电泳法的特点 有四个：高效、快速、微量和自动化。
பைடு நூலகம்
目 录
13-1 概述
13-1-1 发展历史 13-1-2 经典电泳分析 13-1-3 高效毛细管电泳技术 13-1-4 分离过程 13-1-5 高效毛细管电泳的特点
目 录
13-1 概述
13-1-1 发展历史 13-1-2 经典电泳分析 13-1-3 高效毛细管电泳技术 13-1-4 分离过程 13-1-5 高效毛细管电泳的特点
13-2 理论基础 13-3 高效毛细管电泳仪 13-4 高效毛细管电泳分离模式 13-5 应用与进展
13-1-3 高效毛细管电泳技术
高效毛细管电泳的优点（三高二少）
1. 高灵敏度：常用紫外检测器的检测限可达10-13～10-15 mol, 激光诱导荧光检测器则达10-19～10-21mol； 2. 高分辨率：其每米理论塔板数为几十万，高者可达几百万 乃至千万, 而HPLC一般为几千到几万;
3. 高速度：最快可在60s内完成，在250s内分离10种蛋白质, 1.7min分离19种阳离子, 3min内分离30种阴离子；
1953
1954~1956 1962~1964 1964 1967 1968 1968
Grabar and Williams CA
Kolin A Hherten S Vesterberg O. Shapiro A.L. Hedrick J.L Clarke M.H.J
免疫电泳
人工pH梯度介质的合成 聚丙烯酰胺PAA和琼脂糖凝胶电泳 合成两性电解质，等电聚焦 SDS电泳 Ferguson作图法（用于聚丙烯酰胺凝胶） 交叉免疫电泳