谱论文
高效毛细管区带电泳谱原理、方法和应用（化学化工学院 08级化学专业潘超张循）角先生
摘要：高效毛细管电泳( High Performance Capillary Electrophoresis缩写为H P C E ) , 是20 世纪末发展的一种高效、快速的分离技术，是经典电泳技术和现代微柱分离相结合的产物，是继高效液相谱（HPLC）之后又一重大进展。已在国际学术界引起强烈的反响和关注。高效毛细管区带电泳是最基本、操作最简单、应用最广泛的一种毛细管电泳的分离模式, 通常看作其它模式的母体。本文主要介绍它的原理和一些应用。
引言
在毛细管中进行区带电泳，一方面可减少焦耳热效应导致的区带加宽, 另方又可借用高效液相谱的检测技术实现在线检测, 免除染、脱和扫描或照相。1979年Mikkers 等[1]在内径为0.2mm长为20cm的毛细管中做区带电泳, 达到3.6万理论板。1981年, Jorgenson和Lukacs做了理论上的初步考察, 认为在毛细管长度足够时, 电泳的分离效率与长度无关而与电压成正比：N=mV/2D。其中N为理论板数, m为离子的
迁移率, V为电压, D为离子的扩散系数。为了提高电压而又不使电流太大, 同时也为了减小焦耳热效产生的径向温度梯度, 他们使用内径为0.075mm的毛细管。在管长1米，电压3万伏时, 控制进样量尽量小, 达到约40万理论板的效率（用荧光胺衍生的肽）[2.3]是毛细管区带电泳的一次突破。毛细管的采用使产生的热量能够较快散发，大大减小了温度效应，使电场电压可以很高。电压升高，电场推动力大，又可进一步使柱径变小，柱长增加，高效毛细管电泳的柱效远高于高效液相谱，理论塔板数高达几十万块/米，特殊柱子可以达到数百万。为今后毛细管区带电泳的快速发展奠定了基础。
1、高效毛细管区带电泳谱的原理
1.1装置的结构
高效毛细管电泳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的差异而实现分离的一类液相分离技术[ 4]。高效毛细管电泳系统主要由高压电源、毛细管、检测器、电解液池、进样系统、冷却系统、计算机管理与数据处理等部分组成( 如图1 所示) 。各个部分的特点介绍如
下。。
图1 高效毛细管电泳装置示意图
1 . 高压电源童话屋
2 . 电解液池
3 检测器
4 . 毛细管
5 . 数据采集与处理系统6、冷却系统
高压电源【5】：是组成高效毛细管电泳装置的重要设备，它是样品在自由溶液中迁移的动力来源。实验过程中要求高压电源具有良好的电压稳定度和很高的输出电压，目前常用的高压电源输出电压为5 ~ 30 k v 。绝缘材料的限制, 电压不能太高, 以免损坏仪器。同时，为使实验能够安全进行, 在操作者与仪器设备之间必须加绝缘系统, 以防止高电压可能在毛细管内和仪器内产生的电晕放电。
进样系统: 电碱液池要求化学惰性，机械稳定性好作。C E 的进样量很小, 最小量仅为数纳升, 必须采用自动进样方式。目前主要有真空进样和电动进样两种, 真空进样在定量和重复性方面较好。
检测器: H P CE 仪可以配以各种类型的检测器, 如紫外—可见光检测器、荧光检测器、拉曼光谱检测器、电化学检测器、放射俭测器和质谱检测器等。目前商品化仪器中主要以紫外—可见光检测器和荧
光检测器为主。为了获得足够的光信号, 需要一个在毛细管上微聚焦的透镜系统。迄今报道的紫外—可见光吸收检测器的灵敏度可达10 -14~1 0 -15 mol , 荧光检测器可达到10-7~10-19mol。
毛细管柱: 毛细管柱是H P C E 的关键部件。它由石英组成, 外壁涂以聚合物以增强毛细管的韧性及强度。内壁分为含有涂层和无涂层两种, 前者可有效地减小吸附作用和电渗现象。毛细管柱一般为25 um 和5 0u m 。与层析分离一样, 减小柱径和增加柱的长度都可以提高分辩率。
1.2CZE 的基本原理
组分在CZE 中的流出顺序主要与组分的荷质比有关。它可实现很小体积带电离子的快速、高效分离。在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同的速度向其所带电荷相反方向迁移的现象叫电泳。而此时双电层中的水合阳离子引起流体整体向负极方向移动的现象叫电渗。电渗流的大小取决于电场强度、电解质pH、缓冲液的组成和离子强度、内摩擦和毛细管表面的特点等，这些因素单一或互相结合，均能提高分离效果。粒子在电解质中的迁移速度等于电泳流和电渗流两种速度的矢量和。阳离子的移动方向和电渗流一致，最先流出；中性粒子的电泳流速度为零，其迁移速度等于电渗流速度；阴离子的移动方向与电渗流相反，但因电渗流速度一
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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。
1.2.1分离过程
区带电泳是根据带电粒子的荷质比的不同来进行分离的。电场作用下，毛细管柱中出现：电泳现象和电渗流现象。
带电粒子的迁移速度=电泳+电渗流；两种速度的矢量和。
正离子：两种效应的运动方向一致，在负极最先流出；
中性粒子无电泳现象，受电渗流影响，在阳离子后流出；
阴离子：两种效应的运动方向相反。ν电渗流>ν电泳时，阴离子在负极最后流出，在这种情况下，不但可以按类分离，除中性粒子外，同种类离子由于受到的电力大小不一样也同时被相互分离。
电泳是指带电离子在电场中的定向移动，不同离子具有不同的迁移速度。
当带电离子以速度ν在电场中移动时，受到大小相等、方向相反的电场推动力和平动摩擦阻力的作用
电场力：FE = qE
阻力：F = fν
故：qE = fν
q—离子所带的有效电荷；
E —电场强度；
ν—离子在电场中的迁移速度；
f —平动摩擦系数( 对于球形离子：f =6πηγ；γ—离子的表观液态动力学半径；η—介质的粘度；)
1.2.2电渗现象与电渗流
电渗现象: 当固体与液体接触时，固体表面由于某种原因带一种电荷，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。
当液体两端施加电压时，就会发生液体相对于固体表面的移动，这种液体相对于固体表面的移动的现象叫电渗现象。
电渗现象中整体移动着的液体叫电渗流（electroosmotic flow ，简称EOF）。
石英毛细管柱，内充液pH>3时，表面电离成-SiO-，管内壁带负电荷，形成双电层。
磷酸氢镁
毛细管内壁结构示意图
在高电场的作用下，带正电荷的溶液表面及扩散层向阴极移动，由于这些阳
离子实际上是溶剂化的，故将引起柱中的溶液整体向负极移动，速度ν电渗流。电渗流的大小用电渗流速度ν电渗流表示，取决于电渗淌度μ和电场强度E。即ν电渗流= μ E
电渗淌度取决于电泳介质及双电层的Zeta电势，即
μ= ε0εξ
ε0—真空介电常数；ε—介电常数；ξ—毛细管壁的Zeta电势。
ν电渗流= ε0εξ E中国人民外交学会
实际电泳分析，可在实验测定相应参数后，按下式计算
ν电渗流= Lef/teo
Lef —毛细管有效长度；teo—电渗流标记物（中性物质）的迁移时间
HPCE中电渗流的方向
电渗流的方向取决于毛细管内表面电荷的性质：
内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极；
内表面带正电荷，溶液带负电荷，电渗流流向阳极；
石英毛细管；带负电荷，电渗流流向阴极；
改变电渗流方向的方法：
（1）毛细管改性
表面键合阳离子基团；
（2）加电渗流反转剂
内充液中加入大量的阳离子表面活性剂，将使石英毛细管壁带正电荷，溶液表面带负电荷。电渗流流向阳极。渔船柴油机
4. HPCE中电渗流的流形
电渗流的大小用电渗流速度ν电渗流表示，取决于电渗淌度μ和电场强度E。即
ν电渗流= μ E
电渗淌度取决于电泳介质及双电层的Zeta电势，即
μ= ε0εξ
ε0—真空介电常数；ε—介电常数；ξ—毛细管壁的Zeta电势。
ν电渗流= ε0εξ E
1.2.3. 电渗流的作用
电渗流的速度约等于一般离子电泳速度的5～7倍；
各种电性离子在毛细管柱中的迁移速度为：
ν+ =ν电渗流+ ν+ef阳离子运动方向与电渗流一致；
ν- =ν电渗流- ν-ef 阴离子运动方向与电渗流相反；
ν0 =ν电渗流中性粒子运动方向与电渗流一致；
（1）可一次完成阳离子、阴离子、中性粒子的分离；
（2）改变电渗流的大小和方向可改变分离效率和选择性，如同改变LC中的流速；
（3）电渗流的微小变化影响结果的重现性；在HPCE中，控制电渗流非常重要。
1.2.4、HPCE中影响电渗流的因素
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