高效毛细管电泳中的电渗流及控制.doc

第 21 卷第 2 期 2000 年 6 月淮 北 煤 师 院 学 报Vol . 21 No . 2Jo ur nal of Huaibei Coal Indust ry Teachers College J un . 2000 高效毛细管电泳中的电渗流及控制李敏( 滁州师专化学系 ,滁州 239012)摘 要 :本文讨论了高效毛细管电泳分析中的电渗流及影响因素 ,介绍了几种控制电渗流的方法 ,并探讨了机理.关键词 :毛细管电泳 ;电渗流 ;控制方法分类号 :O657 . 8文献标识码 :A文章编号 :1000 - 2227 (2000) 02 - 0039 - 42引言高效毛细管电泳 ( HPC E) 是近十多年来迅速发展起来的一种分离分析技术. 它是基于带电组分在高电场中迁移率不同而进行分离的. 由于电泳是在极细毛细管 ( 50100m i . d. ) 中 进行的 ,因此随之产生了另一种电动现象 电渗. 在毛细管电泳 ( C E) 中 ,电渗起着举足轻重 的作用 ,所以电渗流 ( EO F) 的控制是 C E 中的一大关键 .1电渗流的产生及影响因素在 C E 中 ,由于石英毛细管内壁上的硅羟基团 ( SiO H) 电离成 SiO - 使表面带负电荷 ,负2电荷表面在溶液中积聚相反电荷的对离子形成双电层. 处于扩散层中的阳离子在负电荷表面形成一个圆筒形的阳离子鞘. 在高电场作用下 ,双电层中这个阳离子鞘相对毛细管内壁运动 , 引起整个流体向阴极移动 ,形成电渗流. 电渗流具有平面流型 ,在缩短分析时间的同时不引起 样品区带的额外展宽 ,因而可获得高分离度. 多数情况下 ,电渗流速度比电泳速度快 5 - 7 倍 ,强大的电渗流能使正负离子同向迁移 ,从而实现正负离子的同时分离分析.电渗流的大小可用速度 ( veo) 或淌度 (eo) 来表示 :其中:zeta 电势 ;:介质的介电常数 ;:介质的粘度.由 ( 1) 式可见 , veo 取决于、E 等四个量 . 其中 zeta 电势是影响 EO F 速度的直接因 素 ,而 zeta 电势与毛细管表面特性 ,缓冲液性质密切相关. 有实验表明 ,zeta 电势与扩散层厚度 成正比1 ,而扩散层厚度又正比于电解质浓度的平方根倒数2 . 因此 ,缓冲液的组成 、p H 、温度 以及毛细管内表面的状态成为影响电渗流的间接因素.收稿日期 :2000 03 03作者简介 :李 敏 ( 1957 -) ,女 ,安徽全椒人 ,学士 ,讲师电渗流的控制电渗一直伴随着电泳过程 ,在不同的 C E 模式中 ,对电渗流的大小有不同的要求. 在区带电泳中 ,为了使正负离子同时分离 ,需要较大的电渗流 ,但还需考虑分离度 ; 在胶束电动色谱 中 ,通常需要强大的流向阴极的电渗流作为组分和胶束向阴极运动的推动力 ;在凝胶电泳和等电聚焦电泳中 ,必须尽可能地消除电渗流. 因此 ,电渗速度直接影响 HPC E 的分析速度 、效率和重现性. 通过 EO F 大小和方向的控制 ,可以优化 C E 分离.3 . 1 改变缓冲溶液的特性不同的缓冲溶液 ,其离子强度不同 ,可导致 、值的差异 . 有的实验表明 3 , 在碱金属 醋酸盐缓冲液中 , v eo随 Li + 、Na + 、K + 、Rb + 、Cs + 半径递增而逐渐减小 ;而李红旗等4 实验得出结论 ,一价碱金属离子 Li + 、Na + 、K + 对电渗速度影响相差不大. 这说明 ,通过改变缓冲液离子 种类 ,在不同的测定中 ,对 v eo影响是不同的. 缓冲液的 p H 影响管壁基团的解离度 ,能明显改变 v eo . 有人认为4 ,5 , veo随 p H 呈线性增加 ,而有些作者却发现 ,在低 p H 下 ( 2 - 3) ,由于硅羟 基质子化作用 ,负电荷表面被 H + 中和 ,使 zeta 电势趋于零 ,p H 10 时 ,硅羟基基本解离 ,电渗变化很小 , veo随 p H 变化曲线类似于强碱滴定弱酸的滴定曲线6 - 8 ;p H 在 4 - 6 范围对 EO F影响显著6 ,这说明在不同的缓冲体系中 , veo 随 p H 的变化规律有所不同. 但可看出 EO F 对p H 表现出较强的依赖性 ,通过缓冲溶液 p H 的调节可以使 EO F 在接近 0 - 1 10 - 3cm2 / v. s 之 间变化9 .在缓冲液中加入添加剂 ,如中性盐 ,两性离子 ,表面活性剂以及有机溶剂会引起 EO F 的显著变化. 中性盐可使双电层变薄 ,有机溶剂可增加溶液粘度 ,均可导致电渗流的减小 ,但只能抑 制电渗而不能改变方向 ,两性离子可使管壁负电荷增加 ,从而缩短迁移时间而不产生较大电 流 ,表面活性剂则能显著改变毛细管内壁特性 ,控制 zeta 电势的大小 、符号.表面活性剂有多种类型 ,其中阳离子表面活性剂是常用的. 这类添加剂主要通过静电作用吸附在毛细管内壁上 ,疏水基团指向体相与内壁垂直定向排列 ,完全屏蔽 SiO - 的负电荷时 , zeta 电势下降至零 ,抑制了 EO F ,当表面活性剂浓度进一步增加 ,疏水基团之间互相作用 ,形成双分子层结构 ,产生正电荷表面而导致 EO F 反向10 . 阳离子表面活性剂的浓度及烷烃链长对EO F 有显著影响11 ,在比临界胶束浓度低得多的浓度范围内 ,增加表面活性剂浓度 , EO F 减3小 ,直至反向 ;烷烃链长越长 , EO F 受浓度变化的影响越大 . 常用的阳离子表面活性剂有十二 、十四烷基三甲基溴化铵.3 . 2对柱内表面进行处理用物理吸附或化学键合方法对柱内壁进行涂渍处理 ,使内表面覆盖一层聚合物薄膜 ,具有 控制电渗的作用 ,前者是在柱内表面直接涂渍一层聚合物 ,如聚乙烯亚胺12 ,可改变电渗方 向 ,但这种方法稳定性较差. 应用最多的化学键合涂层利用有机硅烷中的甲氧基与管壁上的硅 羟基进行共价结合 ,然后用另一疏水基团与游离单分子进行聚合形成均匀的薄膜 . 选择不同的 去活物质 ,对 EO F 影响的程度不同 ,如聚丙烯酰胺13 ,14 去活使 EO F 减小 ; 而乳清蛋白15 可 改变电渗的方向.3 . 3外加径向电场第 2 期李 敏 高效毛细管电泳中的电渗流及控制41和分离通道施加同向电压 ,产生径向电位差. Hayes 等17 9改进了这种装置 ,在分离毛细管外壁直接涂一层柔性导电 聚合物 Nafio n 膜 ,代替外套管和缓冲池. 在 p H 6 时 ,控制 外加电压使 EO F 下降 ,当径向电场为某一定值时 , EO F 为 零 ,继续增加电压 ,则 EO F 改变方向. 上述装置均需两个高压源 ,后者还存在着绝缘问题. 朱英等18 设计了一种使用 单电源的可控制电渗的毛细管电泳装置 ,在毛细管外套上一较大的聚四氟乙烯管 ,分离管通过两个可变电阻和极性 图 1 径向电压控制电渗流装置示意图转换开关与高压电源相连 ,在内外电极槽 、分离管及外套中注入缓冲溶液 . 当向分离管与外套管形成的环形空间和分1 . 2 . 3 . 4 缓冲液池 5 . 分离毛细管6 . 外套管7 . 8 高压源 9 . 变位器离管施加平行电场时 ,分离管内外壁就会存在径向电位差 ,通过多种电极连接方式控制电场的极性 ,可以达到控制电渗的目的 . 他们用此装置成功地实现了对蛋白质分离效率和分离速度的调控19.结论控制 C E 中的电渗 ,是为了优化电泳分离的效率 、迁移时间. 要考虑影响电渗的各种因素 .简单降低电场强度可减少电渗流速 ,但可能引起分离效率和分离度的下降 ,而且调节范围有 限 ,缓冲溶液浓度和离子强度增加 ,可使电渗流呈线性下降 ,但易产生较大电流引起焦耳热 ,缓冲溶液 p H 在一定范围对电渗影响较大. 但应注意 ,在较高 p H 下 ,电渗速度太快 ,组分往往不 能分离 ,p H 太低 ,会使毛细管表面和溶质质子化. 在操作中要根据溶质的性质选择合适的 p H范围 ,采用恒定 p H ,以控制恒定的电渗速度 ,保证结果的重现性. 加入添加剂 ,可影响壁上电荷 的数量及其分布 ,甚至改变电荷的性质 ,操作也很简单 ,但过量添加剂干扰分离过程. 另外 ,这 种动态涂层不稳定 ,目前能用的添加剂还不多 ,需解决稳定性问题 ,并开发新的添加剂. 管壁涂渍特别是化学键合法涂层较稳定 ,不仅能调节 EO F ,还能减少管壁对蛋白质的吸附 ,这种方法 在蛋白质测定中应用较多 . 但涂层管制作麻烦 ,因而简化涂层制作技术 ,寻找更好的涂层材料 ,将可能使这种电渗控制方法更具有实用意义. 外加径向电场是唯一通过改变管壁的 zeta 电势 来改变电渗的方法 ,是一种能随机调控电渗流的方法. 已有人提出了电渗迁移与径向电场关系 的理论构架20 ,说明径向电场在一定范围对电渗影响稳定 ,而当没加径向电场时电渗已经很高时 ,影响较小. 因此应选择适当的缓冲液 ,并在较低的 p H 下测定. 由于设备较复杂 ,还未形 成商品仪器 ,并不多用 ,但这种方法具有较好的发展前景. 特别是研究表明19 通过施加径向电 场 ,不仅能影响电渗和分离时间 ,还有抑制吸附的能力 ,可随机调控 C E 分离 ,这在实际样品特别是生化样品分离中有着实用意义.4参考文献 :1Salomon K ,Burgi D S , Helmer J C. 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