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毛细管电泳的前世今生

发布时间:2019-09-12   点击次数:270次

毛细管电泳的前世今生

一、毛细管电泳的原理简介:

毛细管电泳(High Perfect Capillary Electrophoresis,又称毛细管电泳 (HPCE)”,指以高压电场为驱动力,以毛细管为分离通道,依据试样中各组分间淌度和分配行为上的差异而实现分

离的一种分离技术。

 

1 毛细管电泳简易装置

二、毛细管电泳的专业术语:

1)电泳在电解质溶液中,带电粒子电场作用下,以不同的速度向其所带电荷相反方向迁移的现象叫电泳

2)电渗:在充满电解质溶液的毛细管柱中,柱内层氧化硅与溶质的界面上形成双电层。当高电压通过此含有缓冲溶液的毛细管柱时,而此时双电层中的水合阳离子引起流体整体朝负极方向移动的现象叫电渗

3)电渗流(EOF当高电压通过含有缓冲溶液的毛细管柱时,管内的溶质向阴极或阳极移动,产生电渗流。在柱内层氧化硅与溶质的界面上形成双电层电渗流产生的原因。

 

2 毛细管双电层与电渗流示意

粒子在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

阳离子的移动方向和电渗流一致,会先流出;中性粒子的电泳流速度为“0”,其迁移速度等于电渗流速度;阴离子的移动方向和电渗流相反,但因电渗流速度一般都大于电泳速度,它将在中性粒子之后流出,从而实现分离。

三、毛细管电泳发展的发展历程[1]

1808年俄罗斯物理学家Von Reuss2发现电泳现象。

1867 , Hjerten 采用内径3mm 的石英管, 内涂甲基纤维素, 在旋转下分离,紫外检测, 实现了自由区带电泳, 这是毛细管分析实践的初尝试。

1981JorgensonLukacs34发表现代CE技术的里程碑性的成就,分离丹酰化

氨基酸,标志着毛细管电泳分析方法的建立,标志着CE的诞生,即毛细管区带电泳(CZE)分离模式。他们使用内径为75μm的石英毛细管柱,配合30kV的高电压获得了高于40万理论塔板数的分离柱效,他们设计出了结构简单的CE装置,也从理论上推导出了毛细管区带电泳(CZE)分离的效率公式。

 

3 毛细管区带电泳示意

1983Hjerten5提出了在毛细管中填充聚丙烯酰胺凝胶的毛细管凝胶电泳(CGE)技术,标志着CGE分离模式的诞生。

1984年,Terabe6在毛细管中使用含有表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS) 的背景电解质成功地分离了中性化合物,开创了胶束电动毛细管色谱(MEKC)

 

4 毛细管胶束电动色谱示意

1984,Walbrohel[7]等提出非水毛细管电泳,旨在解决强疏水性样品在毛细管电泳中的分析分离问题,他们以乙腈为非水溶剂分离了几何异构体喹啉和异喹啉,取得了不错的效果。

1985年,Hjerten8又报道了新的毛细管等电聚焦技术(CIEF)

 

5 毛细管等电聚焦示意

1985年,Knox9等利用超细的液相色谱的填料填充毛细管,发展了毛细管电色谱技术(CEC)

1994Yan等人[10-12]在加压洗脱电色谱系统的基础上构建了一台商用加压毛细管电色谱(pCEC)仪器,该系统由微流控系统、溶剂输送系统、柱上紫外/可见光检测器、高压电源和数据采集系统组成,系统结构如图6。系统有电渗流驱动和压力流驱动两种相结合,和CEC相比,其分离能力和应用范围都得到了很大的提高[13]

 

6 毛细管等电聚焦示意

毛细管等速电泳:将两种淌度差别很大的缓冲液分别作为前导离子(充满毛细管)和尾随离子,试样离子的淌度全部位于两者之间,并以同一速度移动;负离子分析时,前导电解质的淌度大于试样中所有负离子的。所有试样都按前导离子的速度等速向阳极前进,逐渐形成各自独立的区带而分离。阴极进样,阳极检测。

 

7 毛细管等速电泳示意

四、毛细管电泳几种分离模式的原理及应用:

1 毛细管电泳的分离模式与应用[14-15]

分离模式

简称

原理

应用

毛细管区带电泳

CZE

溶质电泳淌度差异

离子/手性分离/环境分析

毛细管凝胶电泳

CGE

净电荷性质与分子大小

蛋白质/核酸

毛细管胶束电动色谱

MEKC

疏水性差异

中性物质

非水毛细管电泳

NACE

非水溶质电泳淌度差异

强疏水性样品

毛细管等电聚焦

CIEF

等电点差异

氨基酸/多肽/蛋白质/pKa

毛细管等速电泳

CITF

淌度/电场强度差异

富集/浓缩

毛细管电色谱

CEC

溶质分配系数差异

HPLC+CE

加压毛细管电色谱

pCEC

溶质分配系数差异

Pressure+HPLC+CE

五、毛细管电泳的未来普及应用展望:

20世纪80年代诞生以来,HPCE技术在理论与应用方面,都得到了飞速的发展。其作为一种经典电泳技术与现代毛细管微柱相结合的新兴分离技术,由于其、快速、柱平衡快、低成本、操作模式多样且易于切换等优点使得HPCE成为近年来分离科学的研究核心。今天,HPCE技术已逐渐成熟,在分析化学、生物化学、环境化学、有机化学、天然产物化学和药物化学、材料化学、临床化学等领域有着广泛的应用。HPCE技术作为一种强有力的分离分析手段,已成功地应用于小分子、大分子、中性化合物和荷电化合物的分离。此外,HPCE 技术还是测定物化参数的重要手段。也形成了许多HPCE技术的原理和应用相关的许多专著和综述论述。

推广与普及HPCE技术,使其发挥越来越重要的作用,成为一种便捷的日常分析方法,还将取决于各种使用分析体系与工作条件的发展及标准化。目前,HPCE已被写入美国、欧洲、中国等药典中,成为一种重要的分离检测手段。此外伴随着生物制药多肽、单克隆抗体以及核酸类药物的崛起,毛细管电泳作为一种不可或缺的表征手段,必将随着生物药的兴起而进入到一个重要的应用实践阶段,正式走入各大生物制药实验室及生物制药企业。现如今HPLC技术与应用已是非常成熟,此外在仪器精度、重现性、可操性、自动化程度方面,也与HPLCGC已相同。之所以未能像HPLCGC一样普及走进千家万户的检测实验室,主要原因是所用的工作条件或分离体系设计不恰当、操作不方便、结果不能重现,缺乏专业的人员及操作规范。HPLC在实际应用中的重现困难,还需要专业的人员进行相关的培训,让更多人全面理解和掌握毛细管电泳的特点,及时解决和排查实验中的故障和困难,让实验更加轻松更加流畅与。

参考文献:

[1]刘长付,陈媛梅,毛细管电泳的进展,广州化工2011 39 卷第17 期。

[2] FVon ReussCommolLent SocPhysUnivMosquensem1808,1: 141

[3] JWJorgensonKDLukacsAnalChem.,198153:1 298

[4] JWJorgensonKDLukacsJChromatogr1981218:209

[5] SHjertenJChromatogr.,1983270:1

[6] STerabeKOtsukaKIchikawaet alAnal Chem198456:111

[7]方红,毛细管电泳的新进展,国外医学分子生物学分册2002年第24卷第2.

[8] SHjertenMDZhuJChromatogr.,1985346:265

[9] JHKnoxLHGrantChromatographia198724:135

[10]Yan C, Schaufelberger D, Erni F. Electrochromatography and micro

    high-performance liquid chromatography with320 μm ID packed columns[J].

    Journal of Chromatography A, 1994, 670(1):15-23.

[11]Chao Y. US Patent. 6569325. 2003.

[12]Yan C, Dadoo R, Zhao H, et al. Capillary electrochromatography: analysis of

    polycyclic aromatic hydrocarbons[J].Analytical Chemistry, 1995, 67(13):

    2026-2029.

[13]曹枫, 张维冰, 阎超, . 压力对加压电色谱分离选择性影响的研究. 分析化学. 2004; 32(2): 143-7.

[14] 蔡培原,电泳技术研究进展及应用,生命科学仪器,20086 .

[15]孔毅,吴如金,药学进展2000244

 

文章来源:微信公众号 实验室分析仪器

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